Razumevanje skalarnega (V / f) nadzora za indukcijske motorje

V tem članku bomo poskušali razumeti, kako se izvaja skalarni regulacijski algoritem za nadzor hitrosti asinhronskega motorja s sorazmerno enostavnimi izračuni, kljub temu pa dosežemo razmeroma dobro linearno spremenljivo krmiljenje hitrosti motorja.

Poročila številnih vrhunskih analiz trga to razkrivajo asinhronski motorji so najbolj priljubljeni pri ravnanju s težkimi industrijskimi aplikacijami in delovnimi mesti. Glavni razlogi za priljubljenost asinhronskih motorjev so v glavnem posledica visoke stopnje robustnosti, večje zanesljivosti glede obrabe in razmeroma visoke funkcionalne učinkovitosti.

Kljub temu imajo asinhronski motorji tipično slabost, saj jih z običajnimi običajnimi metodami ni enostavno nadzorovati. Upravljanje asinhronskih motorjev je sorazmerno zahtevno zaradi njegove precej zapletene matematične konfiguracije, ki vključuje predvsem:

• Nelinearen odziv pri nasičenju jedra
• Nestabilnost nihanja oblike zaradi spreminjanja temperature navitja.

Zaradi teh kritičnih vidikov izvajanje upravljanja z asinhronskim motorjem optimalno zahteva temeljito izračunan algoritem z visoko zanesljivostjo, na primer z uporabo metode 'vektorskega krmiljenja' in dodatno z uporabo sistema za obdelavo na osnovi mikrokrmilnika.

Razumevanje izvajanja skalarnega nadzora

Vendar pa obstaja še ena metoda, ki jo je mogoče uporabiti za izvajanje nadzora asinhronskega motorja z veliko lažjo konfiguracijo, to je skalarno krmiljenje, ki vključuje nevektorske pogonske tehnike.

Pravzaprav je mogoče indukcijski motor z izmeničnim tokom omogočiti v ustaljenem stanju, tako da ga upravljate z neposrednimi napetostnimi povratnimi informacijami in trenutno nadzorovanimi sistemi.

Pri tej skalarni metodi se skalarna spremenljivka lahko popravi, ko je dosežena njena prava vrednost bodisi s praktičnim eksperimentiranjem bodisi z ustreznimi formulami in izračuni.

Nato lahko to meritev uporabimo za izvajanje krmiljenja motorja prek odprte zanke ali prek topologije zaprte povratne zanke.

Čeprav skalarna metoda upravljanja obljublja razmeroma dobre rezultate v stanju dinamičnega ravnovesja na motorju, njegov prehodni odziv morda ni do oznake.

Kako delujejo indukcijski motorji

Beseda 'indukcija' pri asinhronih motorjih se nanaša na edinstven način njegovega delovanja, pri katerem magnetizacija rotorja z navitjem statorja postane ključni vidik delovanja.

Ko se preko navitja statorja nanese izmenični tok, nihajno magnetno polje iz navitja statorja deluje z armaturo rotorja in na rotorju ustvari novo magnetno polje, ki nato reagira z magnetnim poljem statorja in povzroči velik vrtilni moment na rotorju . Ta vrtilni moment naredi stroju potreben učinkovit mehanski izhod.

Kaj je 3-fazni indukcijski motor z veverico v kletki

Je najbolj priljubljena različica asinhronskih motorjev in se pogosto uporablja v industriji. V indukcijskem motorju z vevericino kletko ima rotor vrsto vodnikov, podobnih palicam, ki obdajajo os rotorja in predstavljajo edinstveno strukturo, podobno kletki, in od tod tudi ime 'veverica kletka'.

Te palice, ki so poševne oblike in potekajo okoli osi rotorja, so pritrjene z debelimi in trdnimi kovinskimi obroči na koncih palic. Ti kovinski obroči ne le pomagajo trdno pritrditi palice na mestu, temveč tudi zagotavljajo bistveni električni kratek stik čez palice.

Ko se statorsko navitje uporabi z zaporednim 3-faznim sinusnim izmeničnim tokom, se tudi nastalo magnetno polje začne premikati z enako hitrostjo kot sinusna frekvenca 3-faznega statorja (ωs).

Ker se sklop rotorja kletke veverice nahaja znotraj navitja statorja, zgornje izmenično 3-fazno magnetno polje iz navitja statorja reagira s sklopom rotorja, ki inducira enakovredno magnetno polje na vodnikih drogov kletke.

To prisili sekundarno magnetno polje, da se nabere okoli palic rotorja, posledično pa je to novo magnetno polje prisiljeno v interakcijo s statorskim poljem, s čimer se vrti vrtilni moment na rotorju, ki poskuša slediti smeri magnetnega polja statorja.

Pri tem poskuša hitrost rotorja doseči frekvenco hitrosti statorja in ko se približuje hitrosti sinhronega magnetnega polja statorja, se relativna razlika hitrosti e med hitrostjo statorja in vrtilno hitrostjo rotorja zmanjšuje, kar povzroči zmanjšanje magnetne medsebojno vplivanje magnetnega polja rotorja nad magnetnim poljem statorja, sčasoma se zmanjša navor na rotorju in enakovredna izhodna moč rotorja.

To vodi do minimalne moči na rotorju in pri tej hitrosti naj bi rotor dobil stabilno stanje, kjer je obremenitev rotorja enakovredna in ustreza navoru na rotorju.

Delovanje asinhronskega motorja kot odziv na obremenitev lahko povzamemo, kot je razloženo spodaj:

Ker je obvezno vzdrževati fino razliko med hitrostjo rotorja (gredi) in hitrostjo notranjega statorja, se hitrost rotorja, ki dejansko obvladuje obremenitev, vrti z nekoliko zmanjšano hitrostjo kot hitrost statorja. Nasprotno, če domnevamo, da je stator uporabljen s 3-faznim napajanjem 50 Hz, bo kotna hitrost te frekvence 50 Hz skozi navitje statorja vedno nekoliko višja od odziva v hitrosti vrtenja rotorja, kar se po naravi ohranja za zagotovitev optimalne moč rotorja.

Kaj je zdrs v asinhronskem motorju

Relativna razlika med kotno hitrostjo statorja in odzivno hitrostjo vrtenja rotorja se imenuje 'zdrs'. Drsenje mora biti prisotno tudi v primerih, ko motor deluje s terensko usmerjeno strategijo.

Ker gred rotorja v asinhronih motorjih ni odvisna od nobenega zunanjega vzbujanja za njegovo vrtenje, lahko deluje brez običajnih drsnih obročev ali ščetk, kar zagotavlja skoraj nič obrabe, visok izkoristek in ob svojem vzdrževanju poceni.

Faktor navora pri teh motorjih določa kot, določen med magnetnimi pretoki statorja in rotorja.

Če pogledamo spodnji diagram, lahko vidimo, da je hitrost rotorja dodeljena kot Ω, frekvence med statorjem in rotorjem pa se določijo s parametrom 's' ali zdrsom, predstavljenim s formulo:

s = ( ω s - ω r ) / ω s

V zgornjem izrazu je s 'zdrs', ki prikazuje razliko med sinhrono frekvenco statorja in dejansko hitrostjo motorja, razvito na gredi rotorja.

Razumevanje teorije skalarne hitrosti

V konceptih krmiljenja asinhronskih motorjev, kjer Tehnični V / Hz se uporablja nadzor hitrosti s prilagoditvijo napetosti statorja glede na frekvenco, tako da tok zračne reže nikoli ne more odstopati preko pričakovanega območja ravnotežja, z drugimi besedami, ohranja se v okviru tega ocenjenega stanja dinamičnega ravnovesja vrednost, zato jo imenujemo tudi skalarni nadzor metoda je močno odvisna od dinamike dinamičnega ravnovesja za nadzor hitrosti motorja.

Delovanje tega koncepta lahko razumemo s sklicevanjem na naslednjo sliko, ki prikazuje poenostavljeno shemo skalarne krmilne tehnike. Pri postavitvi se predpostavlja, da je odpornost statorja (Rs) enaka, medtem ko induktivnost puščanja statorja (LI), ki deluje na puščanje rotorja in magnetizirajočo induktivnost (LIr). Videti je mogoče, da je (LIr), ki dejansko prikazuje velikost pretoka zračne reže, potisnjen pred celotno induktivnostjo puščanja (Ll = Lls + Llr).

Zaradi tega tok zračne reže, ki ga ustvari magnetizacijski tok, dobi približno vrednost blizu frekvenčnega razmerja statorja. Tako lahko fazorski izraz za oceno stanja dinamičnega ravnovesja zapišemo takole:

Pri indukcijskih motorjih, ki morda delujejo na svojih linearnih magnetnih območjih, se Lm ne bo spreminjal in ostal konstanten, v takih primerih se lahko zgornja enačba izrazi kot:

Kjer sta V in Λ vrednosti napetosti statorja oziroma pretoka statorja, medtem ko Ṽ predstavlja fazorski parameter v zasnovi.

Zadnji izraz zgoraj jasno pojasnjuje, da dokler razmerje V / f ostane nespremenjeno ne glede na kakršno koli spremembo vhodne frekvence (f), ostane tudi tok konstanten, kar omogoča delovanju tokeja, ne glede na frekvenco napajalne napetosti . To pomeni, da bi bilo, če se ΛM vzdržuje na konstantni ravni, razmerje Vs / ƒ upodabljano tudi s konstantno ustrezno hitrostjo. Zato je treba vedno, ko se hitrost motorja poveča, sorazmerno povečati tudi napetost na navitju statorja, da se lahko vzdržuje konstanta Vs / f.

Vendar je tukaj zdrs funkcija obremenitve, pritrjene na motor, sinhronska frekvenčna hitrost ne prikazuje dejanske hitrosti motorja.

Če na rotorju ni obremenitvenega navora, je lahko zdrs, ki je posledica tega, zanemarljivo majhen, kar motorju omogoča, da doseže blizu sinhronih hitrosti.

Zato osnovna konfiguracija Vs / f ali V / Hz ponavadi morda nima možnosti izvajanja natančnega nadzora hitrosti asinhronskega motorja, če je motor pritrjen z obremenitvenim navorom. Kljub temu je mogoče v sistem skupaj z merjenjem hitrosti enostavno uvesti kompenzacijo zdrsa.

Spodnja grafična predstavitev jasno prikazuje senzor hitrosti v zaprtem krogu V / Hz sistema.

V praktičnih izvedbah je običajno razmerje med napetostjo in frekvenco statorja lahko odvisno od same ocene teh parametrov.

Analiza nadzora hitrosti V / Hz

Standardni analizi V / Hz lahko pričate na naslednji sliki.

V bistvu boste našli 3 območja izbire hitrosti znotraj profila V / Hz, kar lahko razumemo iz naslednjih točk:

• Ki se nanaša na slika 4 ko je izklopna frekvenca v območju 0-fc, postane vhod napetosti bistven, kar povzroči potencialni padec na navitju statorja in tega padca napetosti ni mogoče prezreti in ga je treba kompenzirati s povečanjem napajalne napetosti Vs. To pomeni, da v tem območju profil razmerja V / Hz ni linearna funkcija. Analitsko lahko ovrednotimo mejno frekvenco fc za ustrezne napetosti statorja s pomočjo enakovrednega vezja v ustaljenem stanju, ki ima Rs ≠ 0.
• V območju fc-r (nazivni) Hz lahko izvaja konstantno razmerje Vs / Hz, v tem primeru naklon razmerja pomeni količina pretoka zračne reže .
• V območju nad f (nazivno), ki deluje pri višjih frekvencah, postane razmerje Vs / f nemoteno izvajati s konstantno hitrostjo, saj se v tem položaju napetost statorja ponavadi omeji na vrednost f (nazivna). To se zgodi, da zagotovimo, da navitje statorja ni izpostavljeno okvari izolacije. Zaradi tega se tok zračne reže ponavadi ogrozi in zmanjša, kar vodi do ustreznega zmanjšanja navora rotorja. Ta obratovalna faza v asinhronih motorjih se imenuje „Območje slabljenja polja“ . Da bi to preprečili, se v teh frekvenčnih območjih običajno ne upošteva pravilo konstantnega V / Hz.

Zaradi prisotnosti stalnega magnetnega pretoka statorja, ne glede na spremembo frekvence v navitju staorja, se mora vrtilni moment na rotorju zanašati le na hitrost zdrsa, ta učinek je viden v slika 5 zgoraj

Z ustrezno regulacijo hitrosti zdrsa bi lahko hitrost asinhronskega motorja učinkovito nadzorovali skupaj z navorom na obremenitvi rotorja z uporabo konstantnega principa V / Hz.

Ne glede na to, ali gre za način krmiljenja hitrosti v odprti ali zaprti zanki, bi lahko oba izvedli z uporabo pravila konstantnega V / Hz.

Način krmiljenja z odprto zanko bi lahko uporabili v aplikacijah, kjer natančnost nadzora hitrosti morda ni pomemben dejavnik, na primer v enotah HVAC ali napravah, kot so ventilatorji in puhala. V takih primerih se frekvenca obremenitve ugotovi s sklicevanjem na zahtevano stopnjo hitrosti motorja, pri čemer se pričakuje, da bo hitrost rotorja približno sledila trenutni sinhroni hitrosti. Kakršna koli razlika v hitrosti, ki izhaja iz zdrsa motorja, se v takih aplikacijah na splošno prezre in sprejme.

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