Forstå Scalar (V / f) kontroll for induksjonsmotorer

I denne artikkelen vil vi prøve å forstå hvordan skalarstyringsalgoritme er implementert for å kontrollere induksjonsmotorhastighet med relativt enkle beregninger, og likevel oppnå en rimelig god lineær variabel hastighetskontroll av motoren.

Rapporter fra mange topp markedsanalyser avslører det induksjonsmotorer er de mest populære når det gjelder håndtering av applikasjoner og jobber med tung industri. Hovedårsakene bak populariteten til induksjonsmotorer er i utgangspunktet på grunn av den høye graden av robusthet, større pålitelighet når det gjelder slitasjeproblemer og relativt høy funksjonell effektivitet.

Når det er sagt, har induksjonsmotorer en typisk ulempe, da disse ikke er enkle å kontrollere med vanlige konvensjonelle metoder. Styring av induksjonsmotorer er relativt krevende på grunn av den ganske komplekse matematiske konfigurasjonen, som primært inkluderer:

• Ikke-lineær respons ved kjernemetning
• Ustabilitet i form av svingninger på grunn av varierende temperatur i viklingen.

På grunn av disse kritiske aspektene krever implementering av induksjonsmotorkontroll optimalt en grundig beregnet algoritme med høy pålitelighet, for eksempel ved bruk av en 'vektorkontroll' -metode, og i tillegg ved hjelp av et mikrocontrollerbasert prosesseringssystem.

Forstå implementering av Scalar Control

Imidlertid eksisterer det en annen metode som kan brukes for å implementere induksjonsmotorstyring ved hjelp av en mye enklere konfigurasjon, det er den skalære kontrollen som inkluderer ikke-vektordrivteknikker.

Det er faktisk mulig å aktivere en AC-induksjonsmotor i en jevn tilstand ved å betjene den med en enkel spenningstilbakemelding og strømstyrte systemer.

I denne skalære metoden kan den skalære variabelen justeres når den riktige verdien oppnås enten ved å eksperimentere praktisk eller gjennom passende formler og beregninger.

Deretter kan denne målingen brukes for å implementere motorstyring via en åpen sløyfekrets eller gjennom en lukket tilbakekoblingssløyfetopologi.

Selv om den skalære kontrollmetoden gir en rimelig god steady-state-resultat på motoren, er det ikke sikkert at den forbigående responsen er opp til merket.

Hvordan induksjonsmotorer fungerer

Ordet 'induksjon' i induksjonsmotorer refererer til den unike måten å operere på, hvor magnetisering av rotoren ved statorviklingen blir et avgjørende aspekt av operasjonen.

Når vekselstrøm påføres over statorviklingen, samhandler det oscillerende magnetfeltet fra statorviklingen med rotorarmaturen og skaper et nytt magnetfelt på rotoren, som igjen reagerer med statormagnetfeltet som induserer et høyt rotasjonsmoment på rotoren. . Dette rotasjonsmomentet gir den nødvendige effektive mekaniske ytelsen til maskinen.

Hva er 3-fase ekorn bur induksjonsmotor

Det er den mest populære varianten av induksjonsmotorer og brukes mye i industrielle applikasjoner. I en ekorninduksjonsmotor bærer rotoren en serie stavlignende ledere som omgir aksen til rotoren, og presenterer en unik burlignende struktur og derav navnet 'ekornbur'.

Disse stengene som er skjevformede og løper rundt rotoraksen, er festet med tykke og robuste metallringer i endene av stengene. Disse metallringene hjelper ikke bare med å sikre stengene på plass, men håndhever også en viktig elektrisk kortslutning over stengene.

Når statorviklingen påføres med en sekvensering av 3-fas sinusformet vekselstrøm, begynner det resulterende magnetfeltet også å bevege seg med samme hastighet som 3-fase stator sinusfrekvens (ωs).

Siden ekornburrotorsamlingen holdes inne i statorviklingen, reagerer det ovennevnte alternerende 3-fasemagnetiske feltet fra statorviklingen med rotorenheten som induserer et ekvivalent magnetfelt på stanglederne til buraggregatet.

Dette tvinger et sekundært magnetfelt til å bygge seg opp rundt rotorstengene, og følgelig blir dette nye magnetfeltet tvunget til å samhandle med statorfeltet, og håndhever et rotasjonsmoment på rotoren som prøver å følge retningen til statormagnetfeltet.

I prosessen prøver rotorhastigheten å oppnå statorens frekvenshastighet, og når den nærmer seg statorsynkrone magnetiske felthastighet, begynner den relative hastighetsforskjellen e mellom statorfrekvenshastigheten og rotorens rotasjonshastighet å synke, noe som forårsaker en reduksjon i magnetisk interaksjon mellom rotorens magnetfelt over statorens magnetfelt, og til slutt redusere dreiemomentet på rotoren, og den tilsvarende kraftuttaket til rotoren.

Dette fører til en minimumseffekt på rotoren, og ved denne hastigheten sies det at rotoren har oppnådd en jevn tilstand, hvor belastningen på rotoren er ekvivalent og samsvarer med momentet på rotoren.

Arbeidet til en induksjonsmotor som svar på en belastning kan oppsummeres som forklart nedenfor:

Siden det blir obligatorisk å opprettholde en fin forskjell mellom rotor (aksel) hastighet og den indre statorfrekvenshastigheten, roterer rotorhastigheten som faktisk håndterer belastningen med en noe redusert hastighet enn statorfrekvenshastigheten. Omvendt, hvis vi antar at statoren påføres med 50Hz 3-fasetilførsel, vil vinkelhastigheten til denne 50Hz-frekvensen over statorviklingen alltid være litt høyere enn responsen i rotorens rotasjonshastighet, dette opprettholdes iboende for å sikre en optimal slå på rotoren.

Hva er glid i induksjonsmotor

Den relative forskjellen mellom statorens vinkelhastighet på frekvensen og rotorens responsive rotasjonshastighet blir betegnet som 'glid'. Slippen må være til stede selv i situasjoner der motoren betjenes med en feltrettet strategi.

Siden rotorakselen i induksjonsmotorer ikke er avhengig av noen ekstern eksitasjon for rotasjonen, kan den fungere uten konvensjonelle glidringer eller børster, noe som gir praktisk talt null slitasje, høy effektivitet og likevel billig med vedlikehold.

Momentfaktoren i disse motorene bestemmes av vinkelen som er etablert mellom de magnetiske strømningene av stator og rotoren.

Ser vi på diagrammet nedenfor, kan vi se at rotorens hastighet er tildelt som Ω, og frekvensene over stator og rotor bestemmes av parameteren 's' eller slip, presentert med formelen:

s = ( ω s - ω r ) / ω s

I ovennevnte uttrykk er s 'slip' som viser forskjellen mellom statorens synkronfrekvenshastighet og den faktiske motorhastigheten som er utviklet på rotorakselen.

Forstå Scalar Speed ​​Control Theory

I induksjonsmotorstyringskonsepter hvor Teknisk V / Hz brukes, blir hastighetskontrollen implementert ved å justere statorspenningen i forhold til frekvensen slik at luftgapstrømmen aldri er i stand til å avvike utover det forventede området for steady-state, med andre ord den holdes innenfor denne estimerte steady-state verdi, og dermed kalles den også skalar kontroll metode siden teknikken i stor grad avhenger av steady-state dynamikken for å kontrollere motorhastigheten.

Vi kan forstå hvordan dette konseptet fungerer, ved å referere til følgende figur, som viser det forenklede skjemaet for en skalar kontrollteknikk. I oppsettet antas det at statormotstanden (Rs) er null, mens statorlekkasjeinduktansen (LIs) påvirket rotorlekkasjen og magnetiseringsinduktansen (LIr). (LIr) som faktisk skildrer størrelsen på luftgapstrømmen kan sees å ha blitt presset før total lekkasjeinduktans (Ll = Lls + Llr).

På grunn av dette får luftgapstrømmen skapt av magnetiseringsstrømmen en omtrentlig verdi nær statorens frekvensforhold. Faseuttrykket for en steady-state-vurdering kan således skrives som følger:

For induksjonsmotorer som kan kjøre ved deres lineære magnetiske regioner, vil ikke Lm endres og forbli konstant, i slike tilfeller kan ligningen ovenfor uttrykkes som:

Der V og Λ er henholdsvis statorspenningsverdiene og statorfluxen, mens Ṽ representerer faseparameteren i designet.

Det siste uttrykket ovenfor forklarer tydelig at så lenge V / f-forholdet holdes konstant uavhengig av endring i inngangsfrekvensen (f), forblir også fluksen konstant, noe som gjør at token kan fungere uten å avhenge av forsyningsspenningsfrekvensen . Det innebærer at hvis ΛM opprettholdes på et konstant nivå, ville forholdet Vs / ƒ også bli gjengitt med en konstant relevant hastighet. Derfor når motorens hastighet økes, vil spenningen over statorviklingen også måtte økes proporsjonalt, slik at en konstant Vs / f kan opprettholdes.

Men her er sklien funksjonen til belastningen som er festet til motoren, den synkrone frekvenshastigheten viser ikke motorens reelle hastighet.

I fravær av et lastemoment på rotoren, kan den resulterende gliden være ubetydelig liten, slik at motoren kan oppnå nær synkron hastighet.

Det er derfor en grunnleggende Vs / f- eller en V / Hz-konfigurasjon vanligvis ikke har muligheten til å implementere nøyaktig hastighetskontroll av en induksjonsmotor når motoren er festet med et lastemoment. Imidlertid kan en glidekompensasjon ganske enkelt innføres i systemet sammen med hastighetsmåling.

Den nedenfor angitte grafiske representasjonen viser tydelig en hastighetssensor i et lukket sløyfe V / Hz-system.

I praktiske implementeringer kan forholdet mellom statorspenning og frekvens typisk være avhengig av selve vurderingen av disse parametrene.

Analyserer V / Hz hastighetskontroll

En standard V / Hz-analyse kan sees i følgende figur.

I utgangspunktet finner du tre hastighetsvalgområder innenfor en V / Hz-profil, som kan forstås fra følgende punkter:

• Henviser til figur 4 når frakoblingsfrekvensen er på området 0-fc, blir en spenningsinngang viktig, som utvikler et potensielt fall over statorviklingen, og dette spenningsfallet kan ikke ignoreres og må kompenseres ved å øke forsyningsspenningen Vs. Dette indikerer at V / Hz-forholdsprofilen i denne regionen ikke er en lineær funksjon. Vi kan analytisk evaluere kuttfrekvensen fc for passende statorspenninger med hjelp av den likeverdige kretsen med stabil tilstand som har Rs ≠ 0.
• I region fc-r (nominell) Hz er den i stand til å utføre et konstant Vs / Hz-forhold, i dette tilfellet betyr forholdets helling mengden av luftgapet .
• Ved regionen utenfor f (nominell), som kjører ved høyere frekvenser, blir det umulig å utføre Vs / f-forholdet med konstant hastighet, siden statorspenningen i denne posisjonen har en tendens til å bli begrenset til f (nominell) -verdien. Dette skjer for å sikre at statorviklingen ikke blir utsatt for isolasjonsbrudd. På grunn av denne situasjonen har den resulterende luftspalten en tendens til å bli kompromittert og redusert, noe som fører til et tilsvarende avtagende rotormoment. Denne operasjonsfasen i induksjonsmotorer blir betegnet som “Felt svekkende region” . For å forhindre denne typen situasjoner overholdes vanligvis ikke en konstant V / Hz-regel i disse frekvensområdene.

På grunn av tilstedeværelsen av en konstant statormagnetisk strømning uavhengig av frekvensendring i staorviklingen, må token på rotoren nå bare stole på glidningshastigheten, denne effekten kan sees i figur 5 ovenfor

Med passende glidhastighetsregulering kan hastigheten til en induksjonsmotor effektivt styres sammen med dreiemomentet på rotorbelastningen ved å benytte et konstant V / Hz-prinsipp.

Derfor, enten det er en åpen eller en lukket sløyfemodus for hastighetskontroll, kan begge implementeres ved bruk av konstant V / Hz-regelen.

En åpen sløyfemodus for kontroll kan brukes i applikasjoner der nøyaktigheten av hastighetskontroll ikke kan være en viktig faktor, for eksempel i HVAC-enheter, eller vifte- og blåserlignende apparater. I slike tilfeller blir frekvensen til belastningen funnet ved å referere til det nødvendige hastighetsnivået til motoren, og rotorhastigheten forventes å følge omtrent den øyeblikkelige synkronhastigheten. Enhver form for uoverensstemmelse i hastigheten som oppstår ved glidning av motoren blir generelt ignorert og akseptert i slike applikasjoner.

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