वेक्टर नियंत्रण (मोटर)

वेक्टर नियंत्रण, जिसे क्षेत्र-उन्मुख नियंत्रण (एफओसी) भी कहा जाता है, एक चर-आवृत्ति ड्राइव (वीएफडी) नियंत्रण विधि है जिसमें तीन-चरण एसी या ब्रशलेस डीसी विद्युत मोटर के स्टेटर धाराओं को दो ओर्थोगोनल घटकों के रूप में पहचाना जाता है जिन्हें एक वेक्टर के साथ देखा जा सकता है। एक घटक मोटर के चुंबकीय प्रवाह को परिभाषित करता है, और दूसरा टॉर्क को। ड्राइव की नियंत्रण प्रणाली ड्राइव के गति नियंत्रण द्वारा दिए गए प्रवाह और टॉर्क निर्देशों से संबंधित धारा घटक निर्देशों की गणना करती है। सामान्यतः आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न (पीआई) नियंत्रकों का उपयोग मापित धारा घटकों को उनके निर्देश मूल्यों पर रखने के लिए किया जाता है। चर-आवृत्ति ड्राइव का पल्स-चौड़ाई मॉडुलन स्टेटर वोल्टेज निर्देशों के अनुसार ट्रांजिस्टर स्विचिंग को परिभाषित करता है जो पीआई धारा नियंत्रकों के उत्पाद हैं।

एफओसी का उपयोग प्रत्यावर्ती धारा तुल्यकालिक विद्युत मोटर और प्रेरण मोटर को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। मूल रूप से उच्च-प्रदर्शन मोटर को अनुप्रयोगों के लिए विकसित किया गया था, जिन्हें पूर्ण गति सीमा पर सुचारू रूप से संचालित करने की आवश्यकता होती है, शून्य गति पर पूर्ण टॉर्क उत्पन्न करते हैं, और तेज त्वरण और मंदी सहित उच्च गतिशील प्रदर्शन करते हैं। चूंकि, एफओसी के मोटर आकार, लागत और विद्युत ऊर्जा की खपत में कमी की श्रेष्ठता के कारण यह कम प्रदर्शन वाले अनुप्रयोगों के लिए भी तेजी से आकर्षक होता जा रहा है। यह विश्वास किया जाता है कि सूक्ष्मप्रक्रमक की बढ़ती अभिकलनीय शक्ति के साथ यह अंततः लगभग सार्वभौमिक रूप से एकल चर अदिश (कम्प्यूटिंग) वाल्ट -प्रति- हेटर्स (V/f) नियंत्रण को विस्थापित कर देगा।

विकास इतिहास

ब्लास्चके के 1971 के अमेरिकी पेटेंट आवेदन से ब्लॉक आरेख

तकनीकी यूनिवर्सिटी डार्मस्टाट'स के हस्से और सीमेंस एफ ब्लास्चके ने 1968 और 1970 के दशक की प्रारंभ में एसी मोटर्स के वेक्टर नियंत्रण का उत्तरदात्वि उठाया। प्रत्यक्ष वेक्टर नियंत्रण के प्रस्ताव के संदर्भ में ब्लास्चके, और अप्रत्यक्ष वेक्टर नियंत्रण के प्रस्ताव के संदर्भ में हस्से है। तकनीकी यूनिवर्सिटी ब्राउनश्वेग के वर्नर लियोनहार्ड ने एफओसी तकनीकी को और विकसित किया और डीसी ड्राइव के प्रतिस्पर्धी विकल्प के रूप में एडजस्टेबल-स्पीड ड्राइव के अवसरों के उन्मोचन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई।

फिर भी यह माइक्रोप्रोसेसरों के व्यावसायीकरण के पश्चात तक नहीं थी, अर्थात 1980 के दशक की प्रारंभ में, सामान्य प्रयोजन एसी ड्राइव उपलब्ध हो गए थे। एसी ड्राइव अनुप्रयोगों के लिए एफओसी का उपयोग करने के लिए अड़चन में डीसी ड्राइव की तुलना में उच्च लागत और जटिलता और कम रखरखाव सम्मलित है, तब तक एफओसी के पास संवेदक, परिवर्धक आदि के रूप में कई इलेक्ट्रॉनिक घटकों की आवश्यकता थी।

तुल्यकालिक मशीन और प्रेरण मशीनों के विश्लेषण और अध्ययन में पार्क परिवर्तन का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। एफओसी कैसे काम करता है, इसे समझने के लिए परिवर्तन अब तक की एकमात्र सबसे महत्वपूर्ण अवधारणा है, इस अवधारणा को पहली बार 1929 में रॉबर्ट एच. पार्क द्वारा लिखित एक पेपर में अवधारणाबद्ध किया गया था। बीसवीं शताब्दी में अब तक प्रकाशित सभी पावर इंजीनियरिंग संबंधित पत्रों में से प्रभाव के मामले में पार्क के पेपर को दूसरा सबसे महत्वपूर्ण स्थान दिया गया था। पार्क के काम की नवीनता में किसी भी संबंधित मशीन के रेखीय अंतर समीकरण समूह को एक समय परिवर्ती गुणांक वाले से दूसरे समय परिवर्तनीय गुणांक वाले के साथ रूपांतर की उनकी क्षमता सम्मलित है, जिसके परिणामस्वरूप एक रैखिक समय-अपरिवर्तनीय प्रणाली या एलटीआई प्रणाली होती है।

तकनीकी सिंहावलोकन

प्रमुख प्रतिस्पर्धी वीएफडी नियंत्रण प्लेटफॉर्म का अवलोकन:

जबकि एसी ड्राइव नियंत्रणों का विश्लेषण तकनीकी रूप से प्रचुर सम्मलित हो सकता है (अनुभाग भी देखें), इस तरह के विश्लेषण सदैव ड्राइव-मोटर सर्किट के प्रतिरूपण के साथ संकेत प्रवाह ग्राफ और समीकरणों के साथ सम्मलित होते हैं।

प्रेरण मोटर मॉडल समीकरण

${\begin{aligned}&\tau _{\sigma }'{\frac {di_{s}}{d\tau }}+i_{s}{=}-\omega _{k}\tau _{\sigma }'i_{s}+{\frac {k_{r}}{\tau _{r}r_{\sigma }}}(1-jr_{\tau }\omega _{m})\psi _{r}+{\frac {1}{r_{\sigma }}}u_{s}&&(1)\\&\tau _{r}{\frac {d\psi _{r}}{d\tau }}+\psi _{r}=-j(\omega _{k}-\omega _{m})\tau _{r}\psi _{r}+l_{m}i_{s}&&(2)\end{aligned}}$

कहाँ

${\begin{aligned}\sigma _{r}'={\frac {\sigma l_{s}}{r_{\sigma }}}&&r_{\sigma }=r_{s}+k_{r}^{2}r_{r}&&k_{r}={\frac {l_{m}}{l_{r}}}&&\tau =\omega _{sR}\end{aligned}}$

${\begin{aligned}&\sigma =1-{\frac {l_{m}^{2}}{l_{r}l_{s}}}={\text{total leakage coefficient}}\\&\omega _{sR}={\text{nominal stator frequency}}\end{aligned}}$

मूल मापदंड प्रतीक
i	धारा
k	संबंधित वाइंडिंग का युग्मन कारक
l	अधिष्ठापन
r	प्रतिरोध
t	समय
T	टॉर्कः
u	वोल्टेज
$\psi$	प्रवाह लिंकेज
$\tau$	सामान्यीकृत समय
$\tau$	सबस्क्रिप्ट के साथ समय स्थिर (टीसी)।
$\omega$	कोणीय वेग
$\sigma l_{s}$	कुल रिसाव अधिष्ठापन

सबस्क्रिप्ट और सुपरस्क्रिप्ट
e	वैधुत यांत्रिक
i	प्रेरित वोल्टेज
k	k-निर्देशांक को संदर्भित करता है
L	भार
m	आपसी अधिष्ठापन
m	यांत्रिक (टीसी, कोणीय वेग)
r	रोटर
R	मूल्यांकन मूल्य
s	स्टेटर
$'$	क्षणिक समय स्थिर को दर्शाता है

प्रेरण मोटर के लिए संकेत फ्लो ग्राफ (एसएफजी)।

(डी, क्यू) तीन-चरण प्रेरण मोटर पर आरोपित समन्वय प्रणाली

सरलीकृत अप्रत्यक्ष एफओसी ब्लॉक आरेख

सरलीकृत प्रत्यक्ष एफओसी ब्लॉक आरेख

सेंसरलेस एफओसी ब्लॉक आरेख

वेक्टर नियंत्रण में, एक एसी प्रेरण या तुल्यकालिक मोटर को अलग-अलग उत्तेजना (चुंबकीय) डीसी मोटर की तरह सभी परिचालन स्थितियों के तहत नियंत्रित किया जाता है। अर्थात्, एसी मोटर एक डीसी मोटर की तरह व्यवहार करती है जिसमें प्रवाह लिंकेज और आर्मेचर (विद्युतल इंजीनियरिंग) प्रवाह लिंकेज संबंधित क्षेत्र द्वारा बनाया जाता है और आर्मेचर (या टॉर्क घटक) धाराओं को ऑर्थोगोनली इस तरह से संरेखित किया जाता है, की जब टॉर्क को नियंत्रित किया जाता है, तो क्षेत्र प्रवाह लिंकेज प्रभावित नहीं होता है, इसलिए गतिशील टॉर्क प्रतिक्रिया को सक्षम बनाता है।

वेक्टर नियंत्रण तदनुसार एक तीन-चरण पल्स-चौड़ाई मॉड्यूलेशन मोटर वोल्टेज आउटपुट उत्पन्न करता है जो एक जटिल संख्या वोल्टेज वेक्टर से प्राप्त होता है, जो मोटर के तीन-चरण स्टेटर धारा इनपुट से प्राप्त एक जटिल धारा वेक्टर को तीन-चरण गति और समय पर निर्भर प्रणाली के बीच प्रोजेक्शन (गणित) या घूर्णन (गणित) के माध्यम से नियंत्रित करता है। और इन वेक्टरों का घूर्णन संदर्भ-फ्रेम दो-समन्वय समय अपरिवर्तनीय प्रणाली है।

इस तरह के जटिल स्टेटर धारा वेक्टर स्थान को डी (प्रत्यक्ष) और क्यू (चतुर्भुज) अक्षों के साथ ऑर्थोगोनल घटकों के साथ एक (डी, क्यू) समन्वय प्रणाली में परिभाषित किया जा सकता है जैसे धारा के क्षेत्र प्रवाह लिंकेज घटक को डी अक्ष और टोक़ घटक के साथ गठबंधन किया जाता है। धारा को क्यू अक्ष के साथ संरेखित किया गया है।प्रेरण मोटर की (डी, क्यू) समन्वय प्रणाली को मोटर की तात्कालिक (ए, बी, सी) तीन-चरण साइनसोइडल प्रणाली पर लगाया जा सकता है जैसा कि आरेख के साथ दिखाया गया है (चरण बी और सी स्पष्टता के लिए नहीं दिखाया गया है)। (डी, क्यू) प्रणाली धारा वेक्टर के घटक डीसी मोटर के साथ पारंपरिक नियंत्रण जैसे आनुपातिक और अभिन्न, या पीआई, नियंत्रण की अनुमति देते हैं।

(डी, क्यू) समन्वय प्रणाली से जुड़े प्रक्षेपण में सामान्यतः सम्मलित होता है:

• तात्कालिक धाराओं से (ए, बी, सी) जटिल स्टेटर धारा वेक्टर समष्टि तीन-चरण साइनसोइडल प्रणाली का प्रतिनिधित्व करने के लिए आगे का प्रक्षेपण।
• आगे तीन-से-दो चरण, (ए, बी, सी) - से- ($\alpha$,$\beta$) क्लार्क परिवर्तन का उपयोग करके प्रक्षेपण। वेक्टर नियंत्रण कार्यान्वयन सामान्यतः संतुलित तीन-चरण धाराओं के साथ अनियंत्रित मोटर मानते हैं जैसे कि केवल दो मोटर धारा चरणों को अनुभूत करने की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, पिछड़े दो से तीन चरण, ($\alpha$,$\beta$)-से-(ए, बी, सी) प्रक्षेपण वेक्टर समष्टि पीडब्लूएम मॉड्यूलेटर या व्युत्क्रम क्लार्क परिवर्तन और अन्य पीडब्लूएम मॉड्यूलेटर में से एक का उपयोग करता है।
• आगे और पीछे दो से दो चरण, ($\alpha$,$\beta$)-से-(डी,क्यू) और (डी,क्यू)-से-($\alpha$,$\beta$) क्रमशः पार्क और व्युत्क्रम पार्क परिवर्तनों का उपयोग करते हुए प्रक्षेपण।

पार्क परिवर्तन का उपयोग करने का विचार तीन चरण धाराओं और वोल्टेज की प्रणाली को दो समन्वित रैखिक समय-अपरिवर्तनीय प्रणाली में परिवर्तित करना है। प्रणाली को एलटीआई बनाकर पीआई नियंत्रकों को लागू करने के लिए सरल और आसान उपयोग को सक्षम बनाता है, और प्रवाह और टोक़ उत्पादक धाराओं के नियंत्रण को भी सरल करता है।

चूंकि, स्रोतों के लिए तीन से दो, (ए, बी, सी) - से (डी, क्यू) और उलटा प्रक्षेपणों के संयुक्त परिवर्तन का उपयोग करना असामान्य नहीं है।

जबकि (डी, क्यू) समन्वय प्रणाली घूर्णन को स्वेच्छया ढंग से किसी भी गति पर सेट किया जा सकता है, तीन पसंदीदा गति या संदर्भ फ्रेम हैं:* स्थिर संदर्भ फ्रेम जहां (डी, क्यू) समन्वय प्रणाली घूमती नहीं है;

• तुल्यकालिक रूप से घूर्णन संदर्भ फ्रेम जहां (डी, क्यू) समन्वय प्रणाली तुल्यकालिक गति से घूमती है;
• रोटर संदर्भ फ्रेम जहां (डी, क्यू) समन्वय प्रणाली रोटर गति से घूमती है।

नियंत्रण एल्गोरिथम विकास के लिए डिकूप्लिंग (इलेक्ट्रॉनिक्स) टॉर्क और क्षेत्र धारा अनिर्मित स्टेटर धारा इनपुट से प्राप्त किए जा सकते हैं।

जबकि डीसी मोटर्स में चुंबकीय क्षेत्र और टोक़ घटकों को संबंधित क्षेत्र और आर्मेचर धाराओं को अलग-अलग नियंत्रित करके अपेक्षाकृत सरलता से संचालित किया जा सकता है, परिवर्तनीय गति अनुप्रयोग में एसी मोटर्स के उचित नियंत्रण के लिए माइक्रोप्रोसेसर-आधारित नियंत्रणों के विकास की आवश्यकता होती है।सभी एसी ड्राइव के साथ अब प्रभावशाली डीएसपी ( अंकीय संकेत प्रक्रिया ) तकनीक का उपयोग कर रहे है।

इनवर्टर को या तो ओपन-लूप सेंसरलेस या क्लोज्ड-लूप एफओसी के रूप में लागू किया जा सकता है, ओपन-लूप ऑपरेशन की प्रमुख सीमा 100% टॉर्क पर न्यूनतम गति संभव है, अर्थात् क्लोज-लूप ऑपरेशन के लिए ठहराव की तुलना में प्राय 0.8 हर्ट्ज।

दो वेक्टर नियंत्रण विधियाँ हैं, प्रत्यक्ष या प्रतिक्रिया वेक्टर नियंत्रण (डीएफओसी) और अप्रत्यक्ष या फीडफ़ॉर्वर्ड वेक्टर नियंत्रण (आईएफओसी), (आईएफओसी) का सामान्यतः अधिक उपयोग किया जा रहा है क्योंकि बंद-लूप मोड में ऐसे ड्राइव अधिक आसानी से शून्य गति से लेकर उच्च-गति क्षेत्र-कमजोर करने वाली गति सीमा में संचालित होते हैं। डीएफओसी में, प्रवाह परिमाण और कोण प्रतिक्रिया संकेतों की गणना सीधे तथाकथित वोल्टेज या धारा प्रारूप का उपयोग करके की जाती है, प्रवाह स्थान एंगल आगे और प्रवाह परिमाण संकेत पहले स्टेटर धारा और रोटर (बिजली) स्पीड को मापते हैं, इसके पश्चात रोटर स्पीड के अनुरूप रोटर एंगल और पर्ची (मोटर) आवृत्ति के अनुरूप स्लिप एंगल के परिकलित निर्देश वैल्यू को जोड़कर प्रवाह स्थान एंगल को उचित उपायों से निकालते हैं।

एसी ड्राइव का संवेदक रहित कंट्रोल (संवेदक रहित एफओसी ब्लॉक डायग्राम देखें) लागत और विश्वसनीयता के लिहाज से आकर्षक है। संवेदक रहित नियंत्रण के लिए ओपन-लूप आकलनकर्ता या क्लोज्ड-लूप पर्यवेक्षकों के संयोजन में मापा स्टेटर वोल्टेज और धाराओं से रोटर गति की जानकारी की व्युत्पत्ति की आवश्यकता होती है।

आवेदन

1. स्टेटर चरण धाराओं को मापा जाता है, (ए, बी, सी) समन्वय प्रणाली में जटिल वेक्टर समष्टि में परिवर्तित किया जाता है।
2. धारा में परिवर्तित हो गई है ($\alpha$, $\beta$) निर्देशांक प्रणाली। रोटर संदर्भ फ्रेम में घूमने (गणित) वाली एक समन्वय प्रणाली में परिवर्तित, रोटर की स्थिति व्हील स्पीड सेंसर के माध्यम से अभिन्न गति को एकीकृत करके प्राप्त की जाती है।
3. रोटर प्रवाह लिंकेज वेक्टर का प्रक्षेपण स्टेटर धारा वेक्टर को आकृष्ट करना अनुगम एलएम और लो पास फिल्टर के साथ गुणा करके रोटर नो-लोड टाइम स्थिर एलआर/आरआर, अर्थात रोटर अनुगम से रोटर प्रतिरोध अनुपात के साथ लगाया जाता है।
4. धारा वेक्टर (डी, क्यू) समन्वय प्रणाली में परिवर्तित हो गया है।
5. स्टेटर धारा वेक्टर के डी-अक्ष घटक का उपयोग रोटर प्रवाह लिंकेज को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है और काल्पनिक क्यू-अक्ष घटक का उपयोग मोटर टॉर्क को नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। जबकि पीआई नियंत्रकों का उपयोग इन धाराओं को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है, बैंग-बैंग नियंत्रण प्रकार का धारा नियंत्रण बेहतर गतिशील प्रदर्शन प्रदान करता है।
6. पीआई नियंत्रक वोल्टेज घटकों को समन्वय (डी, क्यू) प्रदान करते हैं। क्रॉस युग्मन या गति, धारा और प्रवाह लिंकेज में बड़े और तीव्र परिवर्तनों को कम करने के लिए नियंत्रण प्रदर्शन में सुधार के लिए कभी-कभी नियंत्रक आउटपुट में एक अपयुग्मन शब्द जोड़ा जाता है। पीआई-नियंत्रक को कभी-कभी इनपुट या आउटपुट पर लो-पास फ़िल्टरिंग की आवश्यकता होती है जिससे कि ट्रांजिस्टर स्विचिंग के कारण धारा तरंग को अत्यधिक प्रवर्धित होने और नियंत्रण को अस्थिर करने से रोका जा सके। चूंकि, इस तरह की फ़िल्टरिंग गतिशील नियंत्रण प्रणाली के प्रदर्शन को भी सीमित करती है। उच्च स्विचिंग आवृत्ति (सामान्यतः 10 किलोहर्ट्ज़ से अधिक) सामान्यतः सर्वो ड्राइव जैसे उच्च-प्रदर्शन ड्राइव के लिए फ़िल्टरिंग आवश्यकताओं को कम करने के लिए आवश्यक होती है।
7. वोल्टेज घटकों को (डी, क्यू) समन्वय प्रणाली से रूपांतरित किया जाता है ($\alpha$, $\beta$) समन्वय प्रणाली में।
8. वोल्टेज घटक से रूपांतरित होते हैं ($\alpha$, $\beta$) पावर इन्वर्टर अनुभाग को संकेतन के लिए (ए, बी, सी) समन्वय प्रणाली या पल्स-चौड़ाई मॉड्यूलेशन (पीडब्लूएम) मॉड्यूलेटर, या दोनों में समन्वय प्रणाली।

वेक्टर नियंत्रण अनुप्रयोग के महत्वपूर्ण पहलू:

• गति या स्थिति मापन या किसी प्रकार के प्रक्षेपण की आवश्यकता होती है।
• सन्दर्भों को बदलकर टॉर्क और प्रवाह को 5-10 मिलीसेकंड से भी कम समय में यथोचित तेजी से बदला जा सकता है।
• यदि पीआई नियंत्रण का उपयोग किया जाता है तो चरण प्रतिक्रिया में कुछ ओवरशूट (संकेत) होता है।
• ट्रांजिस्टर की स्विचिंग आवृत्ति सामान्यतः स्थिर होती है और न्यूनाधिक द्वारा निर्धारित की जाती है।
• टोक़ की सटीकता नियंत्रण में उपयोग किए जाने वाले मोटर मापदंडों की सटीकता पर निर्भर करती है। इस प्रकार रोटर तापमान परिवर्तन के कारण बड़ी त्रुटियां अधिकांशतः सामने आती हैं।
• उचित प्रक्रमक प्रदर्शन की आवश्यकता है; सामान्यतः नियंत्रण एल्गोरिथ्म की गणना हर पीडब्लूएम चक्र में की जाती है।

चूंकि वेक्टर नियंत्रण एल्गोरिदम प्रत्यक्ष टोक़ नियंत्रण (डीटीसी) की तुलना में अधिक जटिल है, एल्गोरिदम को डीटीसी एल्गोरिदम के रूप में बार-बार गणना करने की आवश्यकता नहीं है। साथ ही उपस्थित संकेतन को मांग में सबसे अच्छा होने की जरूरत नहीं है। इस प्रकार प्रक्रमक और अन्य नियंत्रण हार्डवेयर की लागत कम है जो इसे उन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाती है जहां डीटीसी के अंतिम प्रदर्शन की आवश्यकता नहीं होती है।

यह भी देखें

• अल्फा बीटा गामा परिवर्तन |$\alpha \beta \gamma$ परिवर्तन
• अनुकूली नियंत्रण
• नियंत्रण इंजीनियरिंग
• नियंत्रण सिद्धांत
• डको परिवर्तन
• आइगेनवैल्यूज़ एवं आइगेनवेक्टर्स
• विस्तारित कलमन फ़िल्टर
• फ़िल्टर (सिग्नल प्रोसेसिंग)
• आवृत्ति प्रतिक्रिया
• हिल्बर्ट परिवर्तन
• आवेग प्रतिक्रिया
• रैखिक समय-अपरिवर्तनीय प्रणाली
• कलमन फिल्टर
• मजबूत नियंत्रण
• रूट लोकस
• व्यवधान सिद्धांत
• सिग्नल-फ्लो ग्राफ
• लघु-संकेत मॉडल
• स्लाइडिंग मोड नियंत्रण
• राज्य पर्यवेक्षक
• राज्य अंतरिक्ष प्रतिनिधित्व
• सममित घटक
• सिस्टम विश्लेषण
• अस्थायी प्रतिसाद
• स्थानांतरण प्रकार्य