Zrozumienie sterowania skalarnego (V / f) dla silników indukcyjnych

W tym artykule postaramy się zrozumieć, w jaki sposób zaimplementowany jest algorytm sterowania skalarnego do sterowania prędkością silnika indukcyjnego za pomocą stosunkowo prostych obliczeń, a jednocześnie osiągnąć dość dobre sterowanie prędkością silnika ze zmienną liniową.

Pokazują to raporty z wielu czołowych analiz rynkowych silniki indukcyjne są najbardziej popularne, jeśli chodzi o obsługę ciężkich zastosowań i prac związanych z silnikami przemysłowymi. Głównymi powodami popularności silników indukcyjnych są przede wszystkim wysoki stopień wytrzymałości, większa niezawodność w zakresie zużycia i stosunkowo wysoka sprawność funkcjonalna.

To powiedziawszy, silniki indukcyjne mają jedną typową wadę, ponieważ nie są one łatwe do sterowania zwykłymi konwencjonalnymi metodami. Sterowanie silnikami indukcyjnymi jest stosunkowo wymagające ze względu na dość złożoną konfigurację matematyczną, która obejmuje przede wszystkim:

• Nieliniowa odpowiedź przy nasyceniu rdzenia
• Niestabilność formy oscyluje ze względu na zmienną temperaturę uzwojenia.

Ze względu na te krytyczne aspekty realizacja sterowania silnikiem indukcyjnym w sposób optymalny wymaga dokładnie obliczonego algorytmu o wysokiej niezawodności, na przykład z wykorzystaniem metody „sterowania wektorowego” oraz dodatkowo z wykorzystaniem systemu przetwarzania opartego na mikrokontrolerze.

Zrozumienie implementacji kontroli skalarnej

Istnieje jednak inna metoda, którą można zastosować do implementacji sterowania silnikiem indukcyjnym przy użyciu znacznie łatwiejszej konfiguracji, jest to sterowanie skalarne wykorzystujące techniki napędów niewektorowych.

W rzeczywistości możliwe jest wprowadzenie silnika indukcyjnego prądu przemiennego w stan ustalony, pracując z prostym napięciem zwrotnym i układami sterowanymi prądem.

W tej metodzie skalarnej zmienna skalarna może zostać zmodyfikowana po osiągnięciu jej właściwej wartości albo poprzez praktyczne eksperymenty, albo poprzez odpowiednie formuły i obliczenia.

Następnie ten pomiar może być wykorzystany do realizacji sterowania silnikiem poprzez obwód otwartej pętli lub poprzez topologię zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego.

Mimo że skalarna metoda sterowania obiecuje dostatecznie dobre wyniki w stanie ustalonym na silniku, jego odpowiedź przejściowa może nie być zadowalająca.

Jak działają silniki indukcyjne

Słowo „indukcja” w silnikach indukcyjnych odnosi się do wyjątkowego sposobu ich działania, w którym magnesowanie wirnika przez uzwojenie stojana staje się kluczowym aspektem działania.

Gdy prąd przemienny jest przyłożony do uzwojenia stojana, oscylujące pole magnetyczne z uzwojenia stojana oddziałuje ze zworą wirnika, tworząc nowe pole magnetyczne na wirniku, które z kolei reaguje z polem magnetycznym stojana, indukując wysoki moment obrotowy na wirniku . Ten obrotowy moment obrotowy zapewnia maszynie wymaganą efektywną moc mechaniczną.

Co to jest trójfazowy silnik indukcyjny klatkowy

Jest to najpopularniejszy wariant silników indukcyjnych i jest szeroko stosowany w zastosowaniach przemysłowych. W silniku indukcyjnym klatkowym wirnik niesie szereg przewodników przypominających pręty otaczające oś wirnika, prezentujących unikalną strukturę przypominającą klatkę, stąd nazwa „klatka wiewiórcza”.

Te pręty, które są ukośne i biegną wokół osi wirnika, są przymocowane grubymi i wytrzymałymi metalowymi pierścieniami na końcach prętów. Te metalowe pierścienie nie tylko pomagają mocno zamocować pręty, ale także wymuszają istotne zwarcie elektryczne w poprzek prętów.

Gdy do uzwojenia stojana zostanie przyłożony sekwencyjny 3-fazowy sinusoidalny prąd przemienny, powstałe pole magnetyczne również zaczyna się poruszać z taką samą prędkością jak 3-fazowa częstotliwość sinusoidalna stojana (ωs).

Ponieważ zespół wirnika klatkowego jest utrzymywany w uzwojeniu stojana, powyższe przemienne 3-fazowe pole magnetyczne z uzwojenia stojana reaguje z zespołem wirnika, indukując równoważne pole magnetyczne na przewodach prętowych zespołu klatki.

To zmusza wtórne pole magnetyczne do wytworzenia się wokół prętów wirnika, aw konsekwencji to nowe pole magnetyczne jest zmuszone do interakcji z polem stojana, wymuszając moment obrotowy na wirniku, który próbuje podążać za kierunkiem pola magnetycznego stojana.

W procesie prędkość wirnika próbuje osiągnąć prędkość częstotliwości stojana, a gdy zbliża się do prędkości synchronicznego pola magnetycznego stojana, względna różnica prędkości e między prędkością częstotliwości stojana a prędkością obrotową wirnika zaczyna się zmniejszać, co powoduje spadek wartości magnetycznej. oddziaływanie pola magnetycznego wirnika na pole magnetyczne stojana, ostatecznie zmniejszając moment obrotowy na wirniku i równoważną moc wyjściową wirnika.

Prowadzi to do minimalnej mocy na wirniku i przy tej prędkości mówi się, że wirnik osiągnął stan ustalony, w którym obciążenie wirnika jest równoważne i dopasowane do momentu obrotowego na wirniku.

Pracę silnika indukcyjnego w odpowiedzi na obciążenie można podsumować w następujący sposób:

Ponieważ utrzymanie niewielkiej różnicy między prędkością wirnika (wału) a prędkością częstotliwości wewnętrznego stojana staje się obowiązkowe, prędkość wirnika, która faktycznie obsługuje obciążenie, obraca się z nieco mniejszą prędkością niż częstotliwość częstotliwości stojana. I odwrotnie, jeśli założymy, że stojan jest zasilany trójfazowo 50 Hz, wówczas prędkość kątowa tej częstotliwości 50 Hz na uzwojeniu stojana będzie zawsze nieco wyższa niż odpowiedź prędkości obrotowej wirnika, jest to z natury utrzymywane w celu zapewnienia optymalnego Włącz wirnik.

Co to jest poślizg silnika indukcyjnego

Względna różnica między prędkością kątową częstotliwości stojana a czułą prędkością obrotową wirnika jest określana jako „poślizg”. Poślizg musi występować nawet w sytuacjach, gdy silnik jest obsługiwany zgodnie ze strategią zorientowaną na pole.

Ponieważ wał wirnika w silnikach indukcyjnych nie jest zależny od żadnego zewnętrznego wzbudzenia dla swojego obrotu, może pracować bez konwencjonalnych pierścieni ślizgowych lub szczotek, zapewniając praktycznie zerowe zużycie, wysoką wydajność, a jednocześnie niedrogą w utrzymaniu.

Współczynnik momentu obrotowego w tych silnikach jest określony przez kąt ustalony między strumieniami magnetycznymi stojana i wirnika.

Patrząc na poniższy wykres, widzimy, że prędkość wirnika jest przypisana jako Ω, a częstotliwości na stojanie i wirniku są określone parametrem „s” lub poślizgiem, przedstawionym wzorem:

s = ( ω s - ω r ) / ω s

W powyższym wyrażeniu s jest „poślizgiem”, który wykazuje różnicę między synchroniczną prędkością częstotliwości stojana a rzeczywistą prędkością silnika osiągniętą na wale wirnika.

Zrozumienie teorii kontroli prędkości skalarnej

W koncepcjach sterowania silnikiem indukcyjnym, gdzie Techniczne V / Hz kontrola prędkości jest realizowana poprzez regulację napięcia stojana w odniesieniu do częstotliwości tak, że strumień szczeliny powietrznej nigdy nie może odchylić się poza oczekiwany zakres stanu ustalonego, innymi słowy jest utrzymywany w tym oszacowanym stanie ustalonym wartość i dlatego jest również nazywany kontrola skalarna metoda, ponieważ technika w dużym stopniu zależy od dynamiki w stanie ustalonym do sterowania prędkością silnika.

Możemy zrozumieć działanie tej koncepcji, odwołując się do poniższego rysunku, który przedstawia uproszczony schemat techniki sterowania skalarnego. W konfiguracji zakłada się, że rezystancja stojana (Rs) wynosi zero, podczas gdy indukcyjność rozproszenia stojana (LIs) oddziałuje na wyciek wirnika i indukcyjność magnesującą (LIr). (LIr), który faktycznie przedstawia wielkość strumienia szczeliny powietrznej, można zobaczyć jako wypchnięty przed całkowitą indukcyjnością wycieku (L1 = L1s + L1r).

Z tego powodu strumień szczeliny powietrznej wytwarzany przez prąd magnesujący osiąga przybliżoną wartość zbliżoną do stosunku częstotliwości stojana. Zatem wyrażenie wskazowe do oceny stanu ustalonego można zapisać w następujący sposób:

Dla silników indukcyjnych, które mogą pracować w swoich liniowych obszarach magnetycznych, Lm nie zmieni się i pozostanie stałe, w takich przypadkach powyższe równanie można wyrazić jako:

Gdzie V i Λ są odpowiednio wartościami napięcia stojana i strumieniem stojana, podczas gdy Ṽ reprezentuje parametr fazora w projekcie.

Ostatnie wyrażenie powyżej jasno wyjaśnia, że ​​tak długo, jak stosunek V / f jest utrzymywany na stałym poziomie niezależnie od jakiejkolwiek zmiany częstotliwości wejściowej (f), wówczas strumień również pozostaje stały, co umożliwia działanie toczka bez zależności od częstotliwości napięcia zasilania. . Oznacza to, że jeśli ΛM jest utrzymywane na stałym poziomie, stosunek Vs / ƒ byłby również renderowany przy stałej odpowiedniej prędkości. Dlatego też, ilekroć prędkość silnika jest zwiększana, napięcie na uzwojeniu stojana będzie również musiało być proporcjonalnie zwiększane, aby można było utrzymać stałą Vs / f.

Jednak tutaj poślizg będący funkcją obciążenia przyłożonego do silnika, synchroniczna częstotliwość prędkości nie przedstawia rzeczywistej prędkości silnika.

W przypadku braku momentu obciążenia na wirniku, wynikowy poślizg może być pomijalnie mały, umożliwiając silnikowi osiągnięcie prędkości bliskich synchronizacji.

Dlatego podstawowa konfiguracja Vs / f lub V / Hz zwykle może nie mieć możliwości zaimplementowania dokładnej regulacji prędkości silnika indukcyjnego, gdy silnik jest połączony z momentem obciążenia. Jednak kompensację poślizgu można dość łatwo wprowadzić do systemu wraz z pomiarem prędkości.

Poniższe przedstawienie graficzne wyraźnie przedstawia czujnik prędkości w układzie V / Hz z zamkniętą pętlą.

W praktycznych zastosowaniach typowo stosunek napięcia stojana i częstotliwości może zależeć od wartości znamionowych samych tych parametrów.

Analiza kontroli prędkości V / Hz

Poniższy rysunek przedstawia standardową analizę V / Hz.

Zasadniczo znajdziesz 3 zakresy wyboru prędkości w profilu V / Hz, które można zrozumieć z następujących punktów:

• Odwołujący się do rysunek 4 gdy częstotliwość odcięcia znajduje się w obszarze 0-fc, napięcie wejściowe staje się niezbędne, co powoduje spadek potencjału na uzwojeniu stojana, a tego spadku napięcia nie można zignorować i wymaga kompensacji poprzez zwiększenie napięcia zasilania Vs. Wskazuje to, że w tym regionie profil stosunku V / Hz nie jest funkcją liniową. Możemy analitycznie ocenić częstotliwość odcięcia fc dla odpowiednich napięć stojana przy pomocy obwodu zastępczego stanu ustalonego o Rs ≠ 0.
• W obszarze fc-r (znamionowe) Hz jest w stanie wykonać stałą zależność Vs / Hz, w tym przypadku nachylenie zależności oznacza wielkość strumienia szczeliny powietrznej .
• W obszarze powyżej f (znamionowe), pracując z wyższymi częstotliwościami, niemożliwe staje się wykonanie stosunku Vs / f ze stałą prędkością, ponieważ w tej pozycji napięcie stojana ma tendencję do ograniczania się do wartości f (znamionowej). Dzieje się tak, aby upewnić się, że uzwojenie stojana nie ulegnie uszkodzeniu izolacji. Z powodu tej sytuacji wynikowy strumień szczeliny powietrznej ma tendencję do pogarszania się i zmniejszania, co prowadzi do odpowiednio zmniejszającego się momentu obrotowego wirnika. Ta faza pracy w silnikach indukcyjnych jest określana jako „Region osłabiający pole” . Aby zapobiec tego rodzaju sytuacjom, zwykle w tych zakresach częstotliwości nie jest przestrzegana zasada stałej V / Hz.

Ze względu na stały strumień magnetyczny stojana niezależnie od zmiany częstotliwości w uzwojeniu stojana, czop na wirniku musi teraz polegać tylko na prędkości poślizgu, efekt ten można zaobserwować w rysunek 5 powyżej

Przy odpowiedniej regulacji prędkości poślizgu, prędkość silnika indukcyjnego mogłaby być efektywnie kontrolowana wraz z momentem obrotowym obciążenia wirnika poprzez zastosowanie zasady stałej V / Hz.

Dlatego niezależnie od tego, czy jest to tryb sterowania prędkością w otwartej, czy w zamkniętej pętli, oba mogą być realizowane przy użyciu zasady stałej V / Hz.

Tryb sterowania w pętli otwartej można zastosować w zastosowaniach, w których dokładność regulacji prędkości może nie być ważnym czynnikiem, na przykład w urządzeniach HVAC lub urządzeniach podobnych do wentylatorów i dmuchaw. W takich przypadkach częstotliwość obciążenia jest określana przez odniesienie do wymaganego poziomu prędkości silnika, a oczekuje się, że prędkość wirnika będzie w przybliżeniu odpowiadać chwilowej prędkości synchronicznej. Każda forma rozbieżności prędkości wynikająca ze poślizgu silnika jest generalnie ignorowana i akceptowana w takich zastosowaniach.

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