Porozumění skalárnímu (V / f) řízení pro indukční motory

V tomto článku se pokusíme porozumět tomu, jak je implementován algoritmus skalárního řízení pro řízení rychlosti indukčního motoru s relativně přímými výpočty, a přesto dosáhnout přiměřeně dobrého řízení lineárně proměnných otáček motoru.

Odhalují to zprávy z mnoha špičkových analýz trhu indukční motory jsou nejoblíbenější, pokud jde o manipulaci s aplikacemi a úlohami souvisejícími s těžkými průmyslovými motory. Hlavní důvody popularity indukčních motorů jsou v zásadě způsobeny jeho vysokým stupněm robustnosti, vyšší spolehlivostí z hlediska problémů s opotřebením a poměrně vysokou funkční účinností.

To znamená, že indukční motory mají jednu typickou nevýhodu, protože tyto nelze snadno ovládat běžnými konvenčními metodami. Ovládání indukčních motorů je relativně náročné díky své poměrně složité matematické konfiguraci, která zahrnuje především:

• Nelineární odezva při nasycení jádra
• Nestabilita ve formě kmitů v důsledku měnící se teploty vinutí.

Kvůli těmto kritickým aspektům vyžaduje implementace řízení indukčního motoru optimálně důkladně vypočítaný algoritmus s vysokou spolehlivostí, například pomocí metody „vektorové řízení“ a navíc pomocí systému zpracování založeného na mikrokontroléru.

Porozumění implementaci skalárního řízení

Existuje však další metoda, kterou lze použít k implementaci řízení indukčního motoru pomocí mnohem jednodušší konfigurace, je to skalární řízení zahrnující techniky ne-vektorového pohonu.

Je skutečně možné povolit střídavý indukční motor do ustáleného stavu jeho provozováním s přímými systémy napěťové zpětné vazby a proudu.

V této skalární metodě může být skalární proměnná vylepšena, jakmile je její správná hodnota dosažena buď praktickým experimentováním, nebo pomocí vhodných vzorců a výpočtů.

Dále lze toto měření použít pro implementaci řízení motoru prostřednictvím obvodu s otevřenou smyčkou nebo prostřednictvím topologie smyčky se zpětnou vazbou.

I když skalární metoda řízení slibuje přiměřeně dobré ustálené výsledky motoru, jeho přechodná odezva nemusí být až po značku.

Jak fungují indukční motory

Slovo „indukce“ v indukčních motorech označuje jedinečný způsob jeho provozu, při kterém se magnetizace rotoru vinutím statoru stává klíčovým aspektem operace.

Když je na statorové vinutí aplikováno střídavé napětí, oscilační magnetické pole z vinutí statoru interaguje s kotvou rotoru a vytváří nové magnetické pole na rotoru, které zase reaguje s magnetickým polem statoru a indukuje vysoké množství točivého momentu na rotoru . Tento točivý moment poskytuje požadovaný efektivní mechanický výkon pro stroj.

Co je to 3fázový indukční motor veverky

Je to nejoblíbenější varianta indukčních motorů a je široce používána v průmyslových aplikacích. V indukčním motoru s klecovou klecí nese rotor řadu vodičů podobných tyči obklopujících osu rotoru, což představuje jedinečnou strukturu podobnou kleci, a proto název „klecová klec“.

Tyto tyče, které mají zkosený tvar a probíhají po celé ose rotoru, jsou na koncích tyčí připevněny silnými a robustními kovovými kroužky. Tyto kovové kroužky nejen pomáhají pevně upevnit tyče na místě, ale také vynucují základní elektrický zkrat mezi tyčemi.

Když je statorové vinutí aplikováno na sekvenční třífázový sinusový střídavý proud, výsledné magnetické pole se také začne pohybovat stejnou rychlostí jako třífázový sinusový kmitočet statoru (ωs).

Vzhledem k tomu, že rotorová sestava nakrátko je držena uvnitř statorového vinutí, výše uvedené střídavé 3fázové magnetické pole z vinutí statoru reaguje s rotorovou sestavou indukující ekvivalentní magnetické pole na vodičích tyče sestavy klece.

To nutí sekundární magnetické pole hromadit se kolem tyčí rotoru a v důsledku toho je toto nové magnetické pole nuceno interagovat s polem statoru a vynucovat rotační moment na rotoru, který se snaží sledovat směr magnetického pole statoru.

V tomto procesu se otáčky rotoru snaží dosáhnout rychlosti statoru a jakmile se přiblíží rychlosti synchronního magnetického pole statoru, relativní rychlostní rozdíl e mezi frekvencí statoru a rychlostí otáčení rotoru začne klesat, což způsobí pokles magnetické rychlosti interakce magnetického pole rotoru s magnetickým polem statoru, případně snížení točivého momentu na rotoru a ekvivalentní výkon rotoru.

To vede k minimálnímu výkonu na rotoru a při této rychlosti se říká, že rotor získal ustálený stav, kdy je zatížení rotoru ekvivalentní a odpovídá točivému momentu na rotoru.

Fungování indukčního motoru v reakci na zatížení lze shrnout níže:

Jelikož je nutné udržovat jemný rozdíl mezi otáčkami rotoru (hřídele) a otáčkami vnitřní statorové frekvence, otáčky rotoru, které ve skutečnosti zvládají zátěž, se otáčejí mírně sníženou rychlostí, než jsou otáčky statoru. Naopak, pokud předpokládáme, že je stator aplikován s 3fázovým napájením 50 Hz, bude úhlová rychlost této frekvence 50 Hz napříč vinutím statoru vždy o něco vyšší než odezva v rychlosti otáčení rotoru, je to přirozeně udržováno, aby byla zajištěna optimální výkon na rotoru.

Co je to zasunovací indukční motor

Relativní rozdíl mezi úhlovou rychlostí statoru a frekvencí rychlosti otáčení rotoru se nazývá „prokluz“. Skluz musí být přítomen i v situacích, kdy je motor provozován se strategií zaměřenou na pole.

Jelikož hřídel rotoru v indukčních motorech nezávisí na žádném vnějším buzení při své rotaci, může pracovat bez konvenčních sběracích kroužků nebo kartáčů, které zajišťují prakticky nulové opotřebení, vysokou účinnost a přesto jsou nenáročné na údržbu.

Faktor točivého momentu v těchto motorech je určen úhlem mezi magnetickými toky statoru a rotorem.

Při pohledu na níže uvedený diagram vidíme, že rychlost rotoru je přiřazena jako Ω a frekvence napříč statorem a rotorem jsou určeny parametrem „s“ nebo skluzem, který je vyjádřen vzorcem:

s = ( ω s - ω r ) / ω s

Ve výše uvedeném výrazu je s „skluz“, který vykazuje rozdíl mezi synchronní frekvencí statoru a skutečnými otáčkami motoru vyvinutými na hřídeli rotoru.

Pochopení teorie skalární regulace rychlosti

V koncepcích řízení indukčních motorů, kde Technické V / Hz Pokud je použito, je řízení rychlosti implementováno nastavením napětí statoru s ohledem na frekvenci tak, aby se tok vzduchové mezery nikdy nemohl odchýlit nad očekávaný rozsah ustáleného stavu, jinými slovy je udržován v tomto odhadovaném ustáleném stavu hodnota, a proto se také nazývá skalární ovládání metoda, protože technika silně závisí na dynamice ustáleného stavu pro řízení rychlosti motoru.

Můžeme pochopit fungování tohoto konceptu s odkazem na následující obrázek, který ukazuje zjednodušené schéma techniky skalárního řízení. V tomto nastavení se předpokládá, že odpor statoru (Rs) je nulový, zatímco indukčnost úniku statoru (LIs) zapůsobí na únik rotoru a magnetizační indukčnost (LIr). Je možné vidět, že hodnota (LIr), která ve skutečnosti zobrazuje velikost toku vzduchové mezery, byla tlačena před celkovou únikovou indukčnost (Ll = Lls + Llr).

Díky tomu získá tok vzduchové mezery vytvořený magnetizačním proudem přibližnou hodnotu blízkou frekvenčnímu poměru statoru. Fázorový výraz pro hodnocení v ustáleném stavu lze tedy zapsat takto:

U indukčních motorů, které mohou běžet ve svých lineárních magnetických oblastech, se Lm nezmění a zůstane konstantní, v takových případech může být výše uvedená rovnice vyjádřena jako:

Kde V a Λ jsou hodnoty napětí statoru, respektive tok statoru, zatímco Ṽ představuje v návrhu parametr fázoru.

Poslední výše uvedený výraz jasně vysvětluje, že pokud je poměr V / f udržován konstantní bez ohledu na jakoukoli změnu vstupní frekvence (f), pak tok také zůstává konstantní, což umožňuje provozovat toque bez závislosti na frekvenci napájecího napětí . To znamená, že pokud je ΛM udržováno na konstantní úrovni, poměr Vs / ƒ by byl také vykreslen při konstantní příslušné rychlosti. Proto kdykoli se zvýší rychlost motoru, bude také nutné proporcionálně zvýšit napětí na vinutí statoru, aby bylo možné udržovat konstantní Vs / f.

Avšak zde je prokluz funkcí zátěže připojené k motoru, rychlost synchronní frekvence neznázorňuje skutečnou rychlost motoru.

Při absenci zátěžového momentu na rotoru může být výsledný skluz zanedbatelně malý, což umožňuje motoru dosáhnout téměř synchronních rychlostí.

To je důvod, proč základní konfigurace Vs / f nebo V / Hz obvykle nemusí mít schopnost implementovat přesné řízení otáček indukčního motoru, když je motor připojen k zátěžovému momentu. Spolu s měřením rychlosti však může být do systému snadno zavedena kompenzace skluzu.

Níže uvedené grafické znázornění jasně zobrazuje snímač rychlosti v systému uzavřené smyčky V / Hz.

V praktických implementacích může obvykle poměr napětí a frekvence statoru záviset na hodnocení těchto parametrů samotných.

Analýza řízení rychlosti V / Hz

Na následujícím obrázku je vidět standardní analýza V / Hz.

V zásadě najdete 3 rozsahy výběru rychlosti v rámci profilu V / Hz, které lze pochopit z následujících bodů:

• S odkazem na obrázek 4 když je mezní frekvence v oblasti 0-fc, stává se nezbytným vstup napětí, který vyvine potenciální pokles napříč vinutí statoru a tento pokles napětí nelze ignorovat a je třeba jej kompenzovat zvýšením napájecího napětí Vs. To naznačuje, že v této oblasti není profil poměru V / Hz lineární funkcí. Můžeme analyticky vyhodnotit mezní frekvenci fc pro příslušná statorová napětí s pomocí ekvivalentního obvodu ustáleného stavu s Rs ≠ 0.
• V oblasti fc-r (jmenovité) Hz je schopen provádět konstantní vztah Vs / Hz, v tomto případě sklon vztahu znamená množství toku vzduchové mezery .
• V oblasti za f (jmenovitou), běžící na vyšších frekvencích, je nemožné provádět poměr Vs / f při konstantní rychlosti, protože v této poloze má napětí statoru tendenci být omezeno na hodnotu f (jmenovitou). Tím se zajistí, že vinutí statoru nebude vystaveno poškození izolace. Kvůli této situaci má výsledný tok vzduchové mezery sklon ke kompromisu a snížení, což vede k odpovídajícímu snížení točivého momentu rotoru. Tato provozní fáze v indukčních motorech se nazývá „Oblast oslabující pole“ . Aby se zabránilo takové situaci, obvykle se v těchto frekvenčních rozsazích nedodržuje konstantní pravidlo V / Hz.

Kvůli přítomnosti konstantního magnetického toku statoru bez ohledu na změnu frekvence ve vinutí statoru se nyní musí toque na rotoru spoléhat pouze na rychlost prokluzu, tento účinek lze vidět v obrázek 5 výše

S vhodnou regulací rychlosti prokluzu lze otáčky indukčního motoru účinně řídit spolu s točivým momentem na zatížení rotoru pomocí principu konstantního V / Hz.

Proto ať už se jedná o režim řízení rychlosti v otevřené nebo uzavřené smyčce, oba by mohly být implementovány pomocí pravidla konstantního V / Hz.

Režim řízení s otevřenou smyčkou lze použít v aplikacích, kde přesnost regulace otáček nemusí být důležitým faktorem, například v jednotkách HVAC nebo ventilátorech a dmychadlech. V takových případech se frekvence zátěže zjistí odkazem na požadovanou úroveň otáček motoru a očekává se, že rychlost rotoru bude přibližně následovat okamžitou synchronní rychlost. Jakákoli odchylka v rychlosti vyplývající z prokluzu motoru je v takových aplikacích obecně ignorována a akceptována.

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