Sterowanie wektorowe charakteryzuje się tym, że na podstawie zależności obowiązujących dla stanów nieustalonych nastawiane są nie tylko amplitudy i prędkości kątowe, ale także fazy wektorów przestrzennych napięć, prądów i strumieni skojarzonych silnika klatkowego. Sterowanie więc polega na oddziaływaniu na wzajemne położenie wektorów, zapewniając ich prawidłową orientację zarówno przy stanach ustalonych jak i nieustalonych.

Stosowane są dwa główne typy sterowania wektorowego: sterowanie polowo - zorientowane FOC (Field Oriented Control) oraz bezpośrednia regulacja momentu DTC (Direct Torque Control).

Sterowanie polowo - zorientowane FOC

W układzie współrzędnych wirujących współbieżnie z wektorem strumienia skojarzonego wirnika yr tzw. współrzędnych polowych (rys. 4.6.), wektor prądu is może być rozłożony na składowe prostokątne isx oraz isy.

Amplituda strumienia skojarzonego wirnika jest proporcjonalna do składowej isx, natomiast moment elektromagnetyczny wytwarzany przez silnik klatkowy do składowej isy. Przez analogię do silnika obcowzbudnego prądu stałego, składowa isx odpowiada prądowi wzbudzenia, a składowa isy prądowi twornika. Dlatego we współrzędnych polowych moment i strumień mogą być sterowane niezależnie w sposób odsprzężony.

Rys. 5.7. Wykres wektorowy silnika klatkowego: a - b współrzędne nieruchome związane ze stojanem, x -y współrzędne polowe.

Zasadniczym elementem w układzie FOC jest blok transformacji współrzędnych x-y/a-b, który na podstawie zależności trygonometrycznych (rys. 5.7.), pozwala przeliczyć składowe polowo-zorientowane isx, isy, wektora prądu stojana do nieruchomego układu współrzędnych isa, isb:

isa= isxcosgs - isysings

isb= isxsings - isycosgs

Potrzebny do transformacji współrzędnych kąt gs (rys. 4.6.) uzyskiwany jest drogą estymacji na podstawie pomiaru napięć i prądów stojana oraz ewentualnie prędkości kątowej wału silnika. Realizację bezpośredniego sterowania FOC różnią się przede wszystkim:

·     metodą estymacji wektora strumienia i momentu;

·     metodą regulacji prądu falownika.

zadaną wmc a mierzoną wm. prędkości kątowej silnika generuje moment zadany mc, jaki powinien rozwinąć silnik. Podobnie regulatory strumienia i momentu generują wartości zadane polowo zorientowanych składowych odpowiednio strumienia isxc oraz momentu isyc . Składowe te dalej są transformowane z układu x-y do nieruchomego układu współrzędnych a-b związanego ze stojanem. Kolejnym etapem jest zamiana liczby faz a-b/ABC, które stanowią wartości zadane iAc, iBc, iCc histerezowych regulatorów prądów stojana. Regulatory są odpowiedzialne za generowanie sygnałów stanów załączeń SA, SB, SC falownika.

   Bezpośrednia regulacja momentu DTC

Rdzeniem systemu (rys. 5.8.) jest blok Bezpośredniego Regulatora Momentu i Strumienia z układem Logiki Optymalizującej Przełączenia[16]. Bardzo ważną częścią DTC jest dokładny model silnika. Wyznaczany jest w nim, na podstawie pomiaru prądu fazowego silnika i napięcia obwodu pośredniego prądu stałego, aktualnie wytwarzany moment, strumień stojana i prędkość wału. Zadane sygnały momentu i strumienia są porównywalne z wartościami aktualnymi, w wyniku czego, w dwupoziomowym regulatorze histerezowym, są wytwarzane sygnały sterujące. Czasy ustalenia przełączeń optymalnych wynoszą dla każdego cyklu sterowania ok. 25 ms. Jest to główna różnica między DTC i tradycyjnymi metodami sterowania silnika prądu przemiennego. W DTC nie ma oddzielnego modulatora PWM sterowanego napięciem i częstotliwością. Przełączenia optymalne są wykonywane przez układ ASIC. Sygnały przełączenia modułu mocy (Sa, Sb, Sc), są to sygnały wyjściowe Układu Logiki. Informacja o przełączeniach  jest używana również do wyznaczania aktualnego wektora napięcia wyjściowego.

DTC wykorzystuje zasady zorientowanego polowo sterowania silników indukcyjnych. Wektory strumienia, prądu i napięcia falownika są prezentowane za pomocą wektorów przestrzennych na współrzędnych stojana. Moment jest wynikiem oddziaływania stojana i wirnika lub prądu stojana i strumienia. Normalnie jest utrzymywana stała wartość strumienia stojana, a moment silnika jest regulowany przez zmianę kąta g między strumieniami stojana i wirnika.

Zasada pracy DTC jest prosta. Jeżeli jest wymagana większa wartość momentu silnika, to celem następnej fazy przyłączeń jest spełnienie tego żądania. Strumień stojana jest regulowany przez zmianę napięcia zasilającego z falownika. Układ Logiki Przełączeń definiuje optymalne przełączenia wektora napięcia, stosowane do aktualnego poziomu momentu zadanego.

Blok DTC umożliwia tylko regulację momentu i przybliża wartości parametrów silnika. W rzeczywistym falowniku potrzebnych jest kilka dodatkowych regulatorów. Rysunek 5.9. przedstawia ogólny schemat blokowy falownika ze sterowaniem DTC.

Sygnałem wyjściowym toru momentu jest albo sygnał z regulatora prędkości, albo zewnętrzny sygnał odniesienia. Sygnał momentu jest modyfikowany w celu utrzymania w zadanych granicach częstotliwości i napięcia DC obwodu pośredniego. Sygnał momentu jest również ograniczany w celu ochrony silnika przed przekroczeniem momentu dopuszczalnego. Możliwe jest pewne przeciążenie falownika na określonym poziomie przez ograniczony czas.

W falowniku z DTC, regulacja prędkości nie jest, jak to się dzieje zazwyczaj wewnętrzną częścią sterowania. W regulatorze prędkości (algorytm sterowania PID) powstają sygnały odniesienia dla regulatora momentu. Wartość bezwzględna strumienia stojana może być podana jako sygnał odniesienia dla bloku DTC. Zdolność do regulacji i elastyczność regulacji sygnału strumienia jest używana np. do optymalizacji strumienia, sterowania osłabienia pola itp. Większość funkcji dodatkowych realizowana jest w oparciu o zadawanie momentu.

Rozruch silnika może być dokonany we wszystkich stanach elektromagnetycznych. W przypadku gdy wał się obraca, w czasie krótszym niż 2 ms jest wykrywana częstotliwość  synchroniczna i DTC jest synchronizowany bezpośrednio. Nawet jeżeli strumień wirnika zniknął, rozruch może nastąpić natychmiast bez jakichkolwiek opóźnień. Umożliwia to szybkie przełączenie silnika między siecią zasilającą i falownikiem.

Układ sterujący może automatycznie obliczyć optymalny dla każdego obciążenia poziom strumienia. Optymalizacja strumienia zwiększa sprawność napędu. Jest to szczególnie ważne przy małych obciążeniach silnika, gdzie obroty mogą być zredukowane o przeszło 60 %.

W razie zaniku napięcia zasilania, DTC utrzymuje napięcie stałe obwodu pośredniego w założonych granicach. DTC to całkiem nowa metoda sterowania maszynami indukcyjnymi o znacznie lepszych właściwościach niż dotychczas stosowane. Dokładność i szybkość regulacji  momentu jest zachowana bez sprzężenia prędkościowego, nawet przy niskich prędkościach. Osiągi DTC są wystarczająco wysokie dla większości zastosowań napędowych. Elastyczność regulacji  DTC umożliwia realizację wielu nowych rodzajów funkcji falownika np. hamowanie strumieniem, szybkiego startu i optymalizację strumienia.

Ruch wektora strumienia stojana względem strumienia wirnika pod wpływem wektorów aktywnych i zerowych napięcia falownika.

 W przypadku napędów zasilanych z falowników napięcia MSI jako wielkość sterująca moment silnika, oprócz prądu, może być rozważany również strumień stojana Ys (rys. powyższy.). Strumień stojana z kolei jest zmienną, która może być sterowana przez napięcie stojana

 Falowniki Lenze

Falowniki LG