Förstå Scalar (V / f) kontroll för induktionsmotorer

I den här artikeln kommer vi att försöka förstå hur skalarstyrningsalgoritmen implementeras för att styra induktionsmotorhastigheten med relativt enkla beräkningar, och ändå uppnå en ganska bra linjär variabel hastighetskontroll av motorn.

Rapporter från många toppmarknadsanalyser avslöjar det induktionsmotorer är de mest populära när det gäller hantering av tunga industriella motorrelaterade applikationer och jobb. De främsta orsakerna till induktionsmotorernas popularitet beror i grunden på dess höga grad av robusthet, större tillförlitlighet när det gäller slitage och relativt hög funktionell effektivitet.

Med detta sagt har induktionsmotorer en typisk nackdel, eftersom dessa inte är lätta att kontrollera med vanliga konventionella metoder. Styrning av induktionsmotorer är relativt krävande på grund av dess ganska komplexa matematiska konfiguration, som främst inkluderar:

• Icke-linjärt svar vid kärnmättnad
• Instabilitet i form av svängningar på grund av varierande temperatur hos lindningen.

På grund av dessa kritiska aspekter kräver implementering av induktionsmotorstyrning optimalt en noggrant beräknad algoritm med hög tillförlitlighet, till exempel med hjälp av en 'vektorkontroll' -metod, och dessutom med ett mikrokontrollerbaserat behandlingssystem.

Förstå Scalar Control Implementation

Det finns emellertid en annan metod som kan tillämpas för att implementera induktionsmotorstyrning med en mycket enklare konfiguration, det är den skalära kontrollen som innehåller icke-vektordrivningstekniker.

Det är faktiskt möjligt att aktivera en AC-induktionsmotor i ett stabilt tillstånd genom att manövrera den med en enkel spänningsåterkoppling och strömstyrda system.

I denna skalära metod kan den skalära variabeln justeras när dess rätta värde uppnås antingen genom att experimentera praktiskt eller genom lämpliga formler och beräkningar.

Därefter kan denna mätning användas för att implementera motorstyrning via en öppen krets eller genom en sluten återkopplingsslingatopologi.

Även om den skalära kontrollmetoden lovar ett ganska bra steady-state-resultat på motorn, kanske dess övergående svar inte är upp till märket.

Hur induktionsmotorer fungerar

Ordet 'induktion' i induktionsmotorer hänvisar till det unika sättet för dess funktion, där magnetisering av rotorn med statorlindningen blir en avgörande aspekt av operationen.

När växelström appliceras över statorlindningen samverkar det oscillerande magnetfältet från statorlindningen med rotorarmaturen och skapar ett nytt magnetfält på rotorn, som i sin tur reagerar med statormagnetfältet som inducerar en stor mängd vridmoment på rotorn . Detta vridmoment ger maskinen den erforderliga effektiva mekaniska effekten.

Vad är 3-fas ekorre bur induktionsmotor

Det är den mest populära varianten av induktionsmotorer och används i stor utsträckning i industriella applikationer. I en induktionsmotor för ekorrbur, bär rotorn en serie stångliknande ledare som omger rotorns axel och presenterar en unik burliknande struktur och därav namnet 'ekorrebur'.

Dessa stänger som är sneda i form och löper runt rotoraxlarna är fästa med tjocka och robusta metallringar i stångarnas ändar. Dessa metallringar hjälper inte bara till att säkra stängerna starkt på plats utan också genomföra en viktig elektrisk kortslutning över stängerna.

När statorlindningen appliceras med en sekvensering av 3-fas sinusformad växelström, börjar det resulterande magnetfältet också att röra sig med samma hastighet som 3-fasstatorens sinusfrekvens (ωs).

Eftersom ekorrburrotoraggregatet hålls inuti statorlindningen reagerar det ovan alternerande 3-fas magnetfältet från statorlindningen med rotoraggregatet som inducerar ett ekvivalent magnetfält på stångledarna i buraggregatet.

Detta tvingar ett sekundärt magnetfält att byggas upp runt rotorstängerna, och följaktligen tvingas detta nya magnetfält att interagera med statorfältet, vilket förstärker ett vridmoment på rotorn som försöker följa riktningen på statormagnetfältet.

I processen försöker rotorhastigheten att uppnå statorns frekvenshastighet, och när den närmar sig statorsynkrona magnetfälthastighet börjar den relativa hastighetsskillnaden e mellan statorfrekvenshastigheten och rotorns rotationshastighet minska, vilket orsakar en minskning av växelverkan mellan rotorns magnetfält över statorns magnetfält och så småningom minskar vridmomentet på rotorn och motsvarande effekt från rotorn.

Detta leder till en minimal effekt på rotorn och vid denna hastighet sägs det att rotorn har fått ett steady-state, där belastningen på rotorn är ekvivalent och matchar vridmomentet på rotorn.

Arbetet med en induktionsmotor som svar på en belastning kan sammanfattas enligt nedan:

Eftersom det blir obligatoriskt att upprätthålla en fin skillnad mellan rotorns (axel) hastighet och den inre statorfrekvenshastigheten, roterar rotorhastigheten som faktiskt hanterar lasten med en något reducerad hastighet än statorfrekvenshastigheten. Omvänt, om vi antar att statorn appliceras med 50Hz 3-fasmatning, kommer vinkelhastigheten för denna 50Hz-frekvens över statorlindningen alltid att vara något högre än svaret i rotorns rotationshastighet, detta bibehålls i sig för att säkerställa en optimal ström på rotorn.

Vad är halka i induktionsmotor

Den relativa skillnaden mellan statorns frekvensvinkel och rotorns responsiva rotationshastighet kallas 'glidning'. Slipen måste vara närvarande även i situationer där motorn körs med en fältorienterad strategi.

Eftersom rotoraxeln i induktionsmotorer inte är beroende av någon extern excitation för dess rotation, kan den fungera utan konventionella glidringar eller borstar vilket säkerställer praktiskt taget inget slitage, hög effektivitet och ändå billigt med sitt underhåll.

Momentfaktorn i dessa motorer bestäms av vinkeln som fastställs mellan de magnetiska flödena av statorn och rotorn.

När vi tittar på diagrammet nedan kan vi se att rotorns hastighet tilldelas som Ω, och frekvenserna över stator och rotor bestäms av parametern 's' eller glidningen, med formeln:

s = ( ω s - ω r ) / ω s

I ovanstående uttryck är s 'glidningen' som visar skillnaden mellan stators synkrona frekvenshastighet och den faktiska motorhastigheten som utvecklats på rotoraxeln.

Förstå Scalar Speed ​​Control Theory

I induktionsmotorstyrningskoncept var Teknisk V / Hz användes, implementeras hastighetskontrollen genom att justera statorspänningen i förhållande till frekvensen så att luftspaltflödet aldrig kan avvika från det förväntade intervallet för steady-state, med andra ord hålls det inom detta uppskattade steady-state värde, och därför kallas det också skalar kontroll metod eftersom tekniken starkt beror på steady-state dynamiken för att kontrollera motorhastigheten.

Vi kan förstå hur detta koncept fungerar genom att hänvisa till följande bild, som visar det förenklade schemat för en skalarstyrningsteknik. I uppställningen antas det att statormotståndet (Rs) är noll, medan statorn läckageinduktans (LI) imponerad på rotorläckaget och magnetiseringsinduktansen (LIr). (LIr) som faktiskt visar storleken på luftspaltflödet kan ses ha skjutits före den totala läckinduktansen (Ll = Lls + Llr).

På grund av detta får luftspaltflödet som skapas av magnetiseringsströmmen ett ungefärligt värde nära statorns frekvensförhållande. Således kan fasuttrycket för en steady-state-bedömning skrivas enligt följande:

För induktionsmotorer som kan gå vid sina linjära magnetiska områden kommer Lm inte att förändras och förbli konstant, i sådana fall kan ovanstående ekvation uttryckas som:

Där V och Λ är statorspänningsvärden respektive statorflöde, medan Ṽ representerar fasparametern i konstruktionen.

Det sista uttrycket ovan förklarar tydligt att så länge V / f-förhållandet hålls konstant oavsett ändring av ingångsfrekvensen (f), förblir också flödet konstant, vilket gör det möjligt för token att fungera utan beroende på matningsspänningsfrekvensen . Det innebär att om ΛM bibehålls på en konstant nivå, skulle förhållandet Vs / ƒ också återges med en konstant relevant hastighet. Därför, närhelst motorns hastighet ökar, måste också spänningen över statorlindningen ökas proportionellt, så att en konstant Vs / f kan upprätthållas.

Men här är glidningen funktion av belastningen fäst vid motorn, den synkrona frekvenshastigheten visar inte motorns verkliga hastighet.

I avsaknad av ett lastmoment på rotorn kan den resulterande gliden vara försumbar liten, vilket gör att motorn når nära synkrona hastigheter.

Det är därför en grundläggande Vs / f- eller en V / Hz-konfiguration vanligtvis inte har förmågan att genomföra noggrann hastighetskontroll av en induktionsmotor när motorn är fäst med ett lastmoment. En glidkompensation kan dock införas ganska enkelt i systemet tillsammans med hastighetsmätning.

Den nedan angivna grafiska framställningen visar tydligt en hastighetssensor i ett slutet / V-Hz-system.

I praktiska implementeringar kan förhållandet mellan statorspänningen och frekvensen vara beroende av själva betyget för dessa parametrar.

Analyserar V / Hz hastighetskontroll

En standard V / Hz-analys kan bevittnas i följande bild.

I grund och botten hittar du 3 hastighetsval inom en V / Hz-profil, vilket kan förstås från följande punkter:

• Refererar till figur 4 när avstängningsfrekvensen är i området 0-fc blir en spänningsingång väsentlig, vilket utvecklar ett potentiellt fall över statorlindningen, och detta spänningsfall kan inte ignoreras och måste kompenseras genom att öka matningsspänningen Vs. Detta indikerar att V / Hz-förhållandeprofilen i denna region inte är en linjär funktion. Vi kan analytiskt utvärdera avstängningsfrekvensen fc för lämpliga statorspänningar med hjälp av den likvärdiga strömkretsen med Rs ≠ 0.
• I region fc-r (klassad) Hz kan den utföra en konstant Vs / Hz-relation, i det här fallet betyder förhållandets lutning mängden luftflödesflöde .
• Vid regionen bortom f (nominellt), som körs vid högre frekvenser, blir det omöjligt att utföra Vs / f-förhållandet med konstant hastighet, eftersom statorspänningen i detta läge tenderar att bli begränsad vid f (nominellt) värde. Detta händer för att se till att statorlindningen inte utsätts för isoleringsnedbrott. På grund av denna situation tenderar det resulterande luftspaltflödet att komprometteras och minskas, vilket leder till ett motsvarande minskande rotormoment. Denna driftsfas i induktionsmotorer kallas för “Fältsväckningsregion” . För att förhindra denna typ av situation följs vanligtvis inte en konstant V / Hz-regel i dessa frekvensområden.

På grund av närvaron av ett konstant magnetiskt flöde av statorn, oberoende av frekvensförändringen i stavlindningen, måste token på rotorn nu bara förlita sig på glidhastigheten, denna effekt kan ses i figur 5 ovan

Med lämplig glidhastighetsreglering kunde hastigheten hos en induktionsmotor effektivt styras tillsammans med vridmomentet på rotorbelastningen genom att använda en konstant V / Hz-princip.

Oavsett om det är en öppen eller en sluten slinga för hastighetskontroll, kan båda implementeras med konstant V / Hz-regeln.

Ett öppet loopläge för styrning kan användas i applikationer där noggrannhet i hastighetsreglering kanske inte är en viktig faktor, såsom i HVAC-enheter, eller fläkt- och fläktliknande apparater. I sådana fall hittas frekvensen till belastningen genom att hänvisa till motorns erforderliga hastighetsnivå, och rotorhastigheten förväntas följa ungefär den momentana synkrona hastigheten. Varje form av avvikelse i hastigheten som uppstår genom motorns glidning ignoreras i allmänhet och accepteras i sådana applikationer.

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