בקרת מהירות מדויקת של מנועי AC נעשית לרוב בעזרת הזנה בעלת תדר משתנה (variable frequency drive –VFD) המחוברת לחיישן משוב מהירות או מיקום. אולם, במצבים מסוימים, ניתן להשיג רמה דומה של בקרת מהירות מדויקת ללא צורך בחיישן משוב, באמצעות שיטת הזרקת אות בתדר גבוה.
כדי לממש שיטה זו, ה-VFD צריך להשתמש בבקרה בלולאה פתוחה, והוא חייב להיות מסוגל להזריק את אות התדר הגבוה הדרוש. השיטה פועלת רק עם מנועים בעלי בולטות (salient) כגון מנועים סינכרוניים בעלי מגנט קבוע פנימי (internal permanent magnet – IPM) -.
תכונות יסודיות של
מנועי PM
איור 1 מראה שני סוגי מנועים בעלי מגנט קבוע. המגנטים של מנוע בעל מגנט קבוע המותקן על המשטח (surface mounted permanent magnet – SPM) מחוברים למשטח הרוטור, בעוד אלה של מנוע בעל מגנט קבוע פנימי (-IPM (interior permanent magnet -שקועים בפנים. לשני סוגי המנוע יעילות גבוהה, אך למנוע ה-IPM יש מומנט-סיבוב נוסף מאחר שהוא מנצל הן את מומנט המגנט והן זה של ההתנגדות המופקים על-ידי הבולטות (saliency) המגנטית. מאחר שהמגנטים של מנועי SPM חייבים להיות קבועים על משטח הרוטור, החוזק המכני הוא יותר חלש מאשר במנועי IPM, במיוחד באזור המהירות הגבוהה
בולטות מגנטית של
מנוע PM
כמתואר באיור 2, חריץ האוויר היעיל בנתיב השטף המגנטי של Ld ו-Lq הם שווים במנועי SPM. למגנט הקבוע המשמש במנועים יש חדירות (permeability) מאוד נמוכה וניתן להחשיב אותה כאוויר בחישובי השראות. כתוצאה, Ld הוא שווה ל-Lq, ולכן למנוע SPM בולטות השראתית מאוד נמוכה. לכן, ערך ההשראות הנמדד בחיבור המנוע הוא קבוע ללא תלות במיקום הרוטור.
במנוע IPM, המגנטים הקבועים שקועים בתוך המנוע. מאחר שלמגנטים הקבועים חדירות נמוכה יותר (כלומר התנגדות [reluctance] גבוהה יותר) מאשר ברזל, חריץ האוויר היעיל בנתיב השטף המגנטי משתנה לפי מיקום הרוטור. שינוי זה מוצג באיור 3. הדבר מכונה בולטות מגנטית, וגורם לשינוי בהשראות בחיבור המנוע לפי מיקום הרוטור.
איור 4 מראה מדידות של השראות המנוע עבור מנוע IPM. איור 5 מראה כיצד ערך ההשראות בחיבור משתנה בהתאם למיקום הרוטור.
תופעה מעניינת שיש לציין מהמשוואה: ניתן לגלות את מיקום הרוטור בעזרת מדידת השינוי בהשראות. תכונה זו מאפשרת גילוי של מיקום הרוטור עבור בקרת וקטור בלולאה פתוחה, כלומר בקרה ללא צורך בחיישן מהירות או מיקום המחובר להזנת המנוע כדי לסגור את לולאת בקרת המהירות.
שיטת הזרקת אות
בתדר גבוה
הרעיון הבסיסי של שיטת הזרקת האות בתדר גבוה הוא שכאשר מתח בתדר גבוה מוזרק בתוך מנוע IPM בזווית הזרקה 0 מעלות (כלומר, דרך ציר ה-Ld), הזרם הנמדד יהיה ברמה הגבוהה ביותר בגלל ההשראות הנמוכה ביותר. הדבר מצביע על כך שעכבת המנוע נמצאת בערכה המזערי, כמתואר באיור 5.
שינוי עכבת מנוע IPM על-פי זווית ההזרקה
כאשר מזריקים מתח בתדר גבוה למנוע בזווית הזרקה של 90o (כלומר דרך ציר ה-Lq), הזרם הנמדד הוא ברמתו הנמוכה ביותר ועכבת המנוע מגיע לערכה המרבי, כמו שמתואר גם באיור 5.
ניתן אפוא לקבוע את מיקום הקוטב המגנטי בעזרת מאפייני הבולטות מאיור 5. בהתחשב במגבלות במימוש, תדר ההזרקה היעיל נע בין 200 הרץ ל-1000 הרץ.
הנה כיצד: עם תחילת פעולתו, הבקר של מנוע PM אינו יודע מראש את המיקום האמיתי של הקטבים המגנטיים, כך שמניחים ציר אקראי ומגדירים אותו כציר d או ציר הקוטב המגנטי. אז מוזרק אות המתח בתדר גבוה בציר המשוער d כדי לעקוב אחר המיקום האמיתי של הקוטב המגנטי.
זרמי מנוע נמדדים לאורך צירי dm ו-qm. אם הציר המשוער dאיננו מכוון לפי ציר המגנט PM האמיתי, מרכיבי הזרם בתדר גבוה הנמדדים על צירי dm ו-qm יהיו שונים. באלגוריתם בקרת הווקטור המתקדם בלולאה פתוחה, מכוונים את הציר המשוער d עד שהפרש הזרמים idm-iqm יהיה מזערי, ומכוונים את הציר המשוערd אל ציר הקוטב המגנטי האמיתי.
בקרת וקטור בלולאה פתוחה מתקדמת דרך שיטת הזרקת התדר הגבוה במנוע IPM מספקת בקרת מהירות בתחום 1:100, היענות למהירות של 10 הרץ או ±0.2%. עבור יישומים בהם מפרטי בקרת מהירות אלה מספיקים, שיטה זו היא יותר פשוטה ופחות יקרה מאשר בקרה בלולאה סגורה עם חיישן בעל משוב מהירות או מיקום.
