Pochopenie skalárneho (V / f) riadenia pre indukčné motory

V tomto článku sa pokúsime porozumieť tomu, ako je implementovaný skalárny riadiaci algoritmus na riadenie rýchlosti indukčného motora pomocou relatívne priamych výpočtov, a napriek tomu dosiahnuť primerane dobré riadenie lineárne premenných otáčok motora.

Odhalia to správy z mnohých najlepších analýz trhu indukčné motory sú najobľúbenejšie, pokiaľ ide o aplikácie a práce spojené s ťažkými priemyselnými motormi. Hlavné dôvody popularity indukčných motorov sú v zásade spôsobené ich vysokým stupňom robustnosti, vyššou spoľahlivosťou z hľadiska problémov s opotrebovaním a porovnateľne vysokou funkčnou účinnosťou.

To znamená, že indukčné motory majú jednu typickú nevýhodu, pretože tieto nie je ľahké ovládať bežnými konvenčnými metódami. Ovládanie indukčných motorov je pomerne náročné vzhľadom na jeho pomerne zložitú matematickú konfiguráciu, ktorá zahŕňa predovšetkým:

• Nelineárna odozva pri nasýtení jadra
• Nestabilita vo forme kmitov v dôsledku meniacej sa teploty vinutia.

Kvôli týmto kritickým aspektom implementácia riadenia indukčného motora optimálne vyžaduje dôkladne vypočítaný algoritmus s vysokou spoľahlivosťou, napríklad pomocou metódy „vektorového riadenia“ a navyše pomocou systému spracovania založeného na mikrokontroléri.

Pochopenie implementácie skalárnej kontroly

Existuje však iná metóda, ktorá sa dá použiť na implementáciu riadenia indukčného motora pomocou oveľa ľahšej konfigurácie, je to skalárne riadenie zahrnujúce techniky vektorového pohonu.

Je skutočne možné umožniť indukčný motor na striedavý prúd do ustáleného stavu prevádzkou pomocou priamych systémov napäťovej spätnej väzby a prúdu.

V tejto skalárnej metóde je možné skalárnu premennú vylepšiť, akonáhle sa dosiahne jej správna hodnota, a to buď praktickým experimentom, alebo vhodnými vzorcami a výpočtami.

Ďalej je možné toto meranie použiť na implementáciu riadenia motora cez obvod s otvorenou slučkou alebo cez topológiu so zatvorenou spätnoväzbovou slučkou.

Aj keď skalárna metóda riadenia sľubuje na motore primerane dobré výsledky v ustálenom stave, jeho prechodná odozva nemusí byť až po značku.

Ako fungujú indukčné motory

Slovo „indukcia“ v indukčných motoroch označuje jedinečný spôsob jeho činnosti, pri ktorom sa magnetizácia rotora pomocou vinutia statora stáva rozhodujúcim aspektom činnosti.

Keď sa na vinutie statora použije striedavé napätie, oscilačné magnetické pole z vinutia statora interaguje s kotvou rotora a vytvára nové magnetické pole na rotore, ktoré naopak reaguje s magnetickým poľom statora a indukuje vysoké množstvo rotačného momentu na rotore. . Tento rotačný krútiaci moment poskytuje stroju požadovaný efektívny mechanický výkon.

Čo je 3-fázový indukčný motor s veveričkou

Je to najpopulárnejšia varianta indukčných motorov a vo veľkej miere sa používa v priemyselných aplikáciách. V indukčnom motore vo veveričej klietke nesie rotor sériu tyčovitých vodičov obklopujúcich os rotora, čo má jedinečnú štruktúru podobnú klietke, a preto má názov „veveričia klietka“.

Tieto tyče, ktoré majú skosený tvar a prebiehajú okolo celej osi rotora, sú na koncoch tyčí spojené s hrubými a robustnými kovovými krúžkami. Tieto kovové krúžky nielen pomáhajú pevne pripevniť tyče na svojom mieste, ale tiež vynútia nevyhnutný elektrický skrat vedúci cez tyče.

Keď sa na statorové vinutie aplikuje sekvenčný trojfázový sínusový striedavý prúd, výsledné magnetické pole sa tiež začne pohybovať rovnakou rýchlosťou ako trojfázová sínusová frekvencia statora (ωs).

Pretože zostava rotora veveričej klietky je držaná vo vinutí statora, vyššie uvedené striedavé 3fázové magnetické pole z vinutia statora reaguje s rotorovou zostavou indukujúcou ekvivalentné magnetické pole na tyčových vodičoch zostavy klietky.

To núti sekundárne magnetické pole hromadiť sa okolo tyčí rotora a v dôsledku toho je toto nové magnetické pole nútené interagovať s poľom statora, čím sa vynucuje rotačný moment na rotore, ktorý sa snaží sledovať smer magnetického poľa statora.

V procese sa rýchlosť rotora snaží dosiahnuť frekvenciu statora a keď sa blíži k rýchlosti synchrónneho magnetického poľa statora, relatívny rozdiel rýchlostí e medzi frekvenciou statora a rýchlosťou rotácie rotora začne klesať, čo spôsobí pokles magnetickej rýchlosti interakcia magnetického poľa rotora s magnetickým poľom statora, prípadne zníženie krútiaceho momentu na rotore a ekvivalentný výstupný výkon rotora.

To vedie k minimálnemu výkonu na rotore a pri tejto rýchlosti sa uvádza, že rotor získal ustálený stav, keď je zaťaženie rotora ekvivalentné a zodpovedá krútiacemu momentu na rotore.

Fungovanie indukčného motora v reakcii na zaťaženie možno zhrnúť takto:

Pretože je nevyhnutné udržiavať jemný rozdiel medzi rýchlosťou rotora (hriadeľa) a rýchlosťou vnútorného statora, otáčky rotora, ktoré skutočne zvládajú zaťaženie, sa otáčajú mierne zníženou rýchlosťou, ako sú otáčky statora. Naopak, ak predpokladáme, že je stator napájaný s trojfázovým napájaním 50 Hz, potom bude uhlová rýchlosť tejto 50 Hz frekvencie naprieč vinutím statora vždy o niečo vyššia ako odozva v rýchlosti otáčania rotora, je to vo svojej podstate zachované, aby sa zabezpečila optimálna výkon na rotore.

Čo je to zasúvací indukčný motor

Relatívny rozdiel medzi uhlovou rýchlosťou frekvencie statora a rýchlou rýchlosťou rotora rotora sa nazýva „sklz“. Šmyk musí byť prítomný aj v situáciách, keď je motor prevádzkovaný na základe stratégie zameranej na pole.

Pretože hriadeľ rotora v indukčných motoroch nezávisí od svojho vonkajšieho budenia pri rotácii, môže pracovať bez bežných zberných krúžkov alebo kief, čo zaručuje takmer nulové opotrebenie, vysokú účinnosť a je pri jeho údržbe nenákladný.

Faktor krútiaceho momentu v týchto motoroch je určený uhlom medzi magnetickými tokmi statora a rotorom.

Pri pohľade na nižšie uvedený diagram vidíme, že rýchlosť rotora je označená ako Ω a frekvencie naprieč statorom a rotorom sú určené parametrom „s“ alebo sklzom vyjadreným vzorcom:

s = ( ω s - ω r ) / ω s

Vo vyššie uvedenom výraze je s „sklz“, ktorý vykazuje rozdiel medzi synchrónnou frekvenciou statora a skutočnou rýchlosťou motora vyvinutou na hriadeli rotora.

Pochopenie teórie riadenia skalárnej rýchlosti

V koncepciách riadenia indukčných motorov kde Technické V / Hz Ak sa použije, regulácia otáčok sa vykoná úpravou napätia statora vzhľadom na frekvenciu tak, aby sa tok vzduchovej medzery nikdy nemohol odchýliť nad očakávaný rozsah ustáleného stavu, inými slovami, udržiava sa v rámci tohto odhadovaného ustáleného stavu. hodnota, a preto sa tiež nazýva skalárna kontrola metóda, pretože táto technika veľmi závisí od dynamiky ustáleného stavu riadenia rýchlosti motora.

Fungovanie tohto konceptu môžeme pochopiť s odvolaním sa na nasledujúci obrázok, ktorý ukazuje zjednodušenú schému techniky skalárneho riadenia. Pri zostavení sa predpokladá, že odpor statora (Rs) je nulový, zatiaľ čo indukčnosť úniku statora (LIs) zapôsobená na únik rotora a magnetizačnú indukčnosť (LIr). Je možné vidieť, že (LIr), ktorá v skutočnosti zobrazuje veľkosť toku vzduchovej medzery, bola tlačená pred celkovou indukčnosťou úniku (Ll = Lls + Llr).

Vďaka tomu získa tok vzduchovej medzery vytvorený magnetizačným prúdom približnú hodnotu blízku frekvenčnému pomeru statora. Fázorový výraz pre hodnotenie v ustálenom stave teda možno napísať takto:

Pre indukčné motory, ktoré môžu bežať vo svojich lineárnych magnetických oblastiach, sa Lm nezmení a zostane konštantné, v takom prípade možno vyššie uvedenú rovnicu vyjadriť ako:

Kde V a Λ sú hodnoty napätia statora a tok statora, zatiaľ čo Ṽ predstavuje fázový parameter v dizajne.

Posledný vyššie uvedený výraz jasne vysvetľuje, že pokiaľ je pomer V / f udržiavaný konštantný bez ohľadu na akúkoľvek zmenu vstupnej frekvencie (f), potom tiež zostáva konštantný tok, čo umožňuje fungovanie toque bez závislosti na frekvencii napájacieho napätia . To znamená, že ak je ΛM udržiavaný na konštantnej úrovni, pomer Vs / ƒ by bol tiež vykreslený pri konštantnej príslušnej rýchlosti. Preto vždy, keď sa zvýšia otáčky motora, bude tiež potrebné proporcionálne zvýšiť napätie na vinutí statora, aby bolo možné zachovať konštantnú hodnotu Vs / f.

Avšak tu je sklz funkciou záťaže pripojenej k motoru, synchrónna frekvenčná rýchlosť neznázorňuje skutočnú rýchlosť motora.

Pri neprítomnosti zaťažovacieho momentu na rotore môže byť výsledný sklz zanedbateľne malý, čo umožní motoru dosiahnuť takmer synchrónnych otáčok.

To je dôvod, prečo základná konfigurácia Vs / f alebo V / Hz zvyčajne nemusí mať schopnosť implementovať presné riadenie otáčok indukčného motora, keď je motor pripojený k záťažovému momentu. Avšak spolu s meraním rýchlosti môže byť do systému celkom ľahko zavedená kompenzácia sklzu.

Nižšie uvedené grafické znázornenie jasne zobrazuje snímač rýchlosti v systéme V / Hz s uzavretou slučkou.

V praktických implementáciách môže pomer napätia a frekvencie statora zvyčajne závisieť od samotného hodnotenia týchto parametrov.

Analýza riadenia rýchlosti V / Hz

Na nasledujúcom obrázku je možné vidieť štandardnú analýzu V / Hz.

V zásade nájdete 3 rozsahy výberu rýchlosti v rámci profilu V / Hz, ktoré možno pochopiť z nasledujúcich bodov:

• S odvolaním sa na obrázok 4 keď je medzná frekvencia v oblasti 0-fc, stáva sa nevyhnutným vstup napätia, ktorý vyvíja potenciálny pokles cez vinutie statora a tento pokles napätia nemožno ignorovať a je potrebné ho kompenzovať zvýšením napájacieho napätia vs. To naznačuje, že v tejto oblasti nie je profilový pomer V / Hz lineárnou funkciou. Môžeme analyticky vyhodnotiť medznú frekvenciu fc pre príslušné statorové napätia pomocou ekvivalentného obvodu v ustálenom stave s Rs s 0.
• V oblasti fc-r (menovitej) Hz je schopný vykonávať konštantný vzťah Vs / Hz, v tomto prípade sklon vzťahu znamená množstvo toku vzduchovej medzery .
• V oblasti za f (hodnotenou), ktorá beží na vyšších frekvenciách, je nemožné vykonávať pomer Vs / f konštantnou rýchlosťou, pretože v tejto polohe má statorové napätie tendenciu k obmedzovaniu pri hodnote f (menovitej). To sa deje preto, aby sa zabezpečilo, že vinutie statora nebude poškodené izoláciou. V dôsledku tejto situácie má výsledný tok vzduchovej medzery sklon k zhoršovaniu a znižovaniu, čo vedie k zodpovedajúcemu znižovaniu krútiaceho momentu rotora. Táto prevádzková fáza v indukčných motoroch sa nazýva „Oblasť oslabujúca pole“ . Aby sa predišlo takýmto situáciám, v týchto frekvenčných pásmach sa zvyčajne nedodržiava pravidlo konštantnej V / Hz.

Kvôli prítomnosti konštantného magnetického toku statora bez ohľadu na zmenu frekvencie vo vinutí statora sa teraz musí toque na rotore spoliehať iba na rýchlosť sklzu, tento efekt je vidieť na obrázok 5 vyššie

Pri vhodnej regulácii rýchlosti sklzu je možné efektívne riadiť rýchlosť indukčného motora spolu s krútiacim momentom na zaťažení rotora pomocou konštantného princípu V / Hz.

Preto bez ohľadu na to, či ide o režim riadenia rýchlosti v otvorenom alebo uzavretom režime, je možné obidva implementovať pomocou pravidla konštantnej hodnoty V / Hz.

Režim riadenia s otvorenou slučkou by sa mohol použiť v aplikáciách, kde presnosť riadenia rýchlosti nemusí byť dôležitým faktorom, ako napríklad v jednotkách HVAC alebo zariadeniach podobných ventilátorom a dúchadlom. V takýchto prípadoch sa frekvencia záťaže zistí odkazom na požadovanú úroveň otáčok motora a očakáva sa, že rýchlosť rotora bude približne zodpovedať okamžitej synchrónnej rýchlosti. Akákoľvek forma odchýlky v rýchlosti vyplývajúcej zo šmyku motora je v takýchto aplikáciách všeobecne ignorovaná a akceptovaná.

Referencia: http://www.ti.com/lit/an/sprabq8/sprabq8.pdf