Κατανόηση Scalar (V / f) Έλεγχος για επαγωγικούς κινητήρες

Σε αυτό το άρθρο θα προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε πώς εφαρμόζεται ο αλγόριθμος κλιμακωτού ελέγχου για τον έλεγχο της ταχύτητας του κινητήρα επαγωγής με σχετικά απλούς υπολογισμούς, αλλά και να επιτύχουμε έναν αρκετά καλό γραμμικό μεταβλητό έλεγχο ταχύτητας του κινητήρα.

Αναφορές από πολλές κορυφαίες αναλύσεις της αγοράς αποκαλύπτουν ότι κινητήρες επαγωγής είναι τα πιο δημοφιλή όταν πρόκειται για χειρισμό εφαρμογών και θέσεων εργασίας που σχετίζονται με βιομηχανικούς κινητήρες. Οι κύριοι λόγοι πίσω από τη δημοτικότητα των επαγωγικών κινητήρων βασικά οφείλονται στον υψηλό βαθμό ανθεκτικότητάς του, τη μεγαλύτερη αξιοπιστία όσον αφορά τα προβλήματα φθοράς και τη συγκριτικά υψηλή λειτουργική απόδοση.

Τούτου λεχθέντος, οι επαγωγικοί κινητήρες έχουν ένα τυπικό μειονέκτημα, καθώς αυτοί δεν είναι εύκολο να ελεγχθούν με συνηθισμένες συμβατικές μεθόδους. Ο έλεγχος των επαγωγικών κινητήρων είναι σχετικά απαιτητικός λόγω της μάλλον περίπλοκης μαθηματικής διαμόρφωσής του, η οποία περιλαμβάνει κυρίως:

• Μη γραμμική απόκριση στον κορεσμό του πυρήνα
• Η αστάθεια με τη μορφή ταλαντώσεων λόγω της διαφορετικής θερμοκρασίας της περιέλιξης.

Λόγω αυτών των κρίσιμων πτυχών, η εφαρμογή επαγωγικού ελέγχου κινητήρα απαιτεί βέλτιστα έναν πλήρως υπολογισμένο αλγόριθμο με υψηλή αξιοπιστία, για παράδειγμα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο «φορέα ελέγχου» και επιπλέον χρησιμοποιώντας ένα σύστημα επεξεργασίας βασισμένο σε μικροελεγκτή.

Κατανόηση της εφαρμογής Scalar Control

Ωστόσο, υπάρχει μια άλλη μέθοδος που μπορεί να εφαρμοστεί για την εφαρμογή επαγωγικού ελέγχου κινητήρα χρησιμοποιώντας μια πολύ ευκολότερη διαμόρφωση, είναι ο κλιμακωτός έλεγχος που ενσωματώνει τεχνικές κίνησης χωρίς φορέα.

Είναι πραγματικά δυνατό να ενεργοποιηθεί ένας κινητήρας επαγωγής εναλλασσόμενου ρεύματος σε σταθερή κατάσταση, λειτουργώντας τον με μια απλή ανατροφοδότηση τάσης και ελεγχόμενα τρέχοντα συστήματα.

Σε αυτήν τη βαθμιαία μέθοδο, η κλιματική μεταβλητή μπορεί να τροποποιηθεί μόλις επιτευχθεί η σωστή τιμή είτε πειραματικά πρακτικά είτε μέσω κατάλληλων τύπων και υπολογισμών.

Στη συνέχεια, αυτή η μέτρηση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εφαρμογή ελέγχου κινητήρα μέσω κυκλώματος ανοικτού βρόχου ή μέσω τοπολογίας κλειστού βρόχου ανατροφοδότησης.

Ακόμα κι αν η βαθμιαία μέθοδος ελέγχου υπόσχεται αρκετά καλά αποτελέσματα σταθερής κατάστασης στον κινητήρα, η παροδική απόκρισή του μπορεί να μην φτάνει μέχρι το σημάδι.

Πώς λειτουργούν οι επαγωγικοί κινητήρες

Η λέξη «επαγωγή» σε επαγωγικούς κινητήρες αναφέρεται στον μοναδικό τρόπο λειτουργίας του με τον οποίο η μαγνήτιση του ρότορα με την περιέλιξη του στάτη γίνεται μια κρίσιμη πτυχή της λειτουργίας.

Όταν το AC εφαρμόζεται σε όλη την περιέλιξη του στάτη, το ταλαντωμένο μαγνητικό πεδίο από την περιέλιξη του στάτορα αλληλεπιδρά με τον οπλισμό του ρότορα δημιουργώντας ένα νέο μαγνητικό πεδίο στο ρότορα, το οποίο με τη σειρά του αντιδρά με το μαγνητικό πεδίο του στάτορα προκαλώντας υψηλή ποσότητα περιστροφικής ροπής στο ρότορα . Αυτή η περιστροφική ροπή δίνει την απαιτούμενη αποτελεσματική μηχανική έξοδο στο μηχάνημα.

Τι είναι ο τριφασικός κινητήρας επαγωγής σκίουρου

Είναι η πιο δημοφιλής παραλλαγή κινητήρων επαγωγής και χρησιμοποιείται εκτενώς σε βιομηχανικές εφαρμογές. Σε ένα μοτέρ επαγωγής κλουβιού σκίουρου, ο ρότορας φέρει μια σειρά από αγωγούς σαν ράβδοι που περιβάλλουν τον άξονα του ρότορα, παρουσιάζοντας μια μοναδική δομή τύπου κλουβιού και ως εκ τούτου το όνομα 'κλουβί σκίουρου'.

Αυτές οι ράβδοι που έχουν κλίση σε σχήμα και τρέχουν γύρω από τον άξονα του ρότορα συνδέονται με παχιά και ανθεκτικά μεταλλικά δαχτυλίδια στα άκρα των ράβδων. Αυτοί οι μεταλλικοί δακτύλιοι όχι μόνο βοηθούν στη στερέωση των ράβδων ισχυρά στη θέση τους, αλλά επίσης ενισχύουν ένα βασικό ηλεκτρικό βραχυκύκλωμα στις ράβδους.

Όταν η περιέλιξη του στάτη εφαρμόζεται με ημιτονοειδές εναλλασσόμενο ρεύμα 3-φάσεων, το μαγνητικό πεδίο που προκύπτει αρχίζει επίσης να κινείται με την ίδια ταχύτητα με τη συχνότητα ημιτονοειδούς στάτορα 3 φάσεων (ωs).

Δεδομένου ότι το συγκρότημα ρότορα κλωβού σκιούρου συγκρατείται εντός της περιέλιξης στάτορα, το ανωτέρω εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο 3 φάσεων από την περιέλιξη στάτη αντιδρά με το συγκρότημα ρότορα προκαλώντας ισοδύναμο μαγνητικό πεδίο στους αγωγούς ράβδου του συγκροτήματος κλωβού.

Αυτό αναγκάζει ένα δευτερεύον μαγνητικό πεδίο να συσσωρευτεί γύρω από τις ράβδους ρότορα, και κατά συνέπεια αυτό το νέο μαγνητικό πεδίο αναγκάζεται να αλληλεπιδράσει με το πεδίο στάτορα, επιβάλλοντας μια περιστροφική ροπή στον ρότορα που προσπαθεί να ακολουθήσει την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου του στάτορα.

Στη διαδικασία, η ταχύτητα του ρότορα προσπαθεί να επιτύχει την ταχύτητα συχνότητας του στάτορα και καθώς πλησιάζει την ταχύτητα του συγχρονισμένου μαγνητικού πεδίου του στάτη, η σχετική διαφορά ταχύτητας e μεταξύ της ταχύτητας συχνότητας του στάτορα και της ταχύτητας περιστροφής του ρότορα αρχίζει να μειώνεται, γεγονός που προκαλεί μείωση του μαγνητικού αλληλεπίδραση του μαγνητικού πεδίου του ρότορα πάνω από το μαγνητικό πεδίο του στάτορα, μειώνοντας τελικά τη ροπή του ρότορα και την ισοδύναμη έξοδο ισχύος του ρότορα.

Αυτό οδηγεί σε μια ελάχιστη ισχύ στον ρότορα και με αυτήν την ταχύτητα ο ρότορας έχει αποκτήσει μια σταθερή κατάσταση, όπου το φορτίο στον ρότορα είναι ισοδύναμο και ταιριάζει με τη ροπή στον ρότορα.

Η λειτουργία ενός επαγωγικού κινητήρα ως απόκριση σε ένα φορτίο μπορεί να συνοψιστεί όπως εξηγείται παρακάτω:

Εφόσον καθίσταται υποχρεωτικό να διατηρείται μια λεπτή διαφορά μεταξύ της ταχύτητας του ρότορα και της ταχύτητας της εσωτερικής συχνότητας του στάτορα, η ταχύτητα του ρότορα που χειρίζεται πραγματικά το φορτίο, περιστρέφεται με μια ελαφρώς μειωμένη ταχύτητα από την ταχύτητα της συχνότητας του στάτη. Αντίθετα, αν υποθέσουμε ότι ο στάτορας εφαρμόζεται με τροφοδοσία 3 φάσεων 50Hz, τότε η γωνιακή ταχύτητα αυτής της συχνότητας 50Hz κατά μήκος της περιέλιξης του στάτορα θα είναι πάντα ελαφρώς υψηλότερη από την απόκριση στην ταχύτητα περιστροφής του ρότορα, αυτό διατηρείται εγγενώς για να διασφαλιστεί η βέλτιστη ενεργοποιήστε τον ρότορα.

Τι είναι ολίσθηση στον κινητήρα επαγωγής

Η σχετική διαφορά μεταξύ της γωνιακής ταχύτητας συχνότητας του στάτορα και της απόκρισης ταχύτητας περιστροφής του ρότορα ονομάζεται «ολίσθηση». Η ολίσθηση πρέπει να υπάρχει ακόμη και σε περιπτώσεις όπου ο κινητήρας λειτουργεί με στρατηγική προσανατολισμένη στο πεδίο.

Δεδομένου ότι ο άξονας του ρότορα στους επαγωγικούς κινητήρες δεν εξαρτάται από οποιαδήποτε εξωτερική διέγερση για την περιστροφή του, μπορεί να λειτουργήσει χωρίς συμβατικούς δακτυλίους ολίσθησης ή βούρτσες εξασφαλίζοντας σχεδόν μηδενική φθορά, υψηλή απόδοση και ωστόσο φθηνή με τη συντήρησή του.

Ο συντελεστής ροπής σ 'αυτούς τους κινητήρες καθορίζεται από τη γωνία που καθορίζεται μεταξύ των μαγνητικών ροών του στάτορα και του ρότορα.

Κοιτάζοντας το παρακάτω διάγραμμα, μπορούμε να δούμε ότι η ταχύτητα του ρότορα έχει αντιστοιχιστεί ως Ω και οι συχνότητες κατά μήκος του στάτορα και του ρότορα καθορίζονται από την παράμετρο 's' ή την ολίσθηση, που παρουσιάζεται με τον τύπο:

s = ( ω μικρό - ω ρ ) / ω μικρό

Στην παραπάνω έκφραση, το s είναι το 'slip' που δείχνει τη διαφορά μεταξύ της σύγχρονης ταχύτητας συχνότητας του στάτη και της πραγματικής ταχύτητας κινητήρα που αναπτύσσεται στον άξονα του ρότορα.

Κατανόηση της θεωρίας ελέγχου ταχύτητας Scalar

Σε έννοιες ελέγχου κινητήρα επαγωγής όπου Τεχνικό V / Hz χρησιμοποιείται, ο έλεγχος ταχύτητας εφαρμόζεται ρυθμίζοντας την τάση του στάτορα σε σχέση με τη συχνότητα έτσι ώστε η ροή διακένου αέρα να μην μπορεί ποτέ να αποκλίνει πέρα ​​από το αναμενόμενο εύρος της σταθερής κατάστασης, με άλλα λόγια διατηρείται εντός αυτής της εκτιμώμενης σταθερής κατάστασης τιμή, και ως εκ τούτου ονομάζεται επίσης κλιματικός έλεγχος μέθοδος καθώς η τεχνική εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη δυναμική σταθερής κατάστασης για τον έλεγχο της ταχύτητας του κινητήρα.

Μπορούμε να κατανοήσουμε τη λειτουργία αυτής της έννοιας αναφερόμενος στο ακόλουθο σχήμα, το οποίο δείχνει το απλοποιημένο σχήμα μιας τεχνικής κλιμακωτού ελέγχου. Στην εγκατάσταση θεωρείται ότι η αντίσταση του στάτορα (Rs) είναι μηδέν, ενώ η επαγωγή διαρροής στάτορα (LIs) εντυπωσίασε κατά τη διαρροή του ρότορα και την μαγνητική επαγωγή (LIr). Το (LIr) που απεικονίζει στην πραγματικότητα το μέγεθος της ροής διακένου αέρα φαίνεται ότι έχει ωθηθεί πριν από την ολική επαγωγή διαρροής (Ll = Lls + Llr).

Λόγω αυτού, η ροή διακένου αέρα που δημιουργείται από το μαγνητικό ρεύμα παίρνει μια κατά προσέγγιση τιμή κοντά στον λόγο συχνότητας του στάτη. Έτσι, η έκφραση της φάσης για μια αξιολόγηση σταθερής κατάστασης μπορεί να γραφτεί ως εξής:

Για κινητήρες επαγωγής που μπορεί να λειτουργούν στις γραμμικές μαγνητικές περιοχές τους, το Lm δεν θα αλλάξει και θα παραμείνει σταθερό, σε τέτοιες περιπτώσεις η παραπάνω εξίσωση μπορεί να εκφραστεί ως:

Όπου V και Λ είναι οι τιμές τάσης στάτη και ροή στάτορα αντίστοιχα, ενώ Ṽ αντιπροσωπεύει την παράμετρο φάσης στο σχεδιασμό.

Η τελευταία έκφραση παραπάνω εξηγεί ξεκάθαρα ότι όσο ο λόγος V / f διατηρείται σταθερός ανεξάρτητα από οποιαδήποτε αλλαγή στη συχνότητα εισόδου (f), τότε η ροή παραμένει επίσης σταθερή, γεγονός που επιτρέπει στη ροπή λειτουργίας να λειτουργεί χωρίς να εξαρτάται από τη συχνότητα τάσης τροφοδοσίας . Αυτό σημαίνει ότι εάν το ΛΜ διατηρείται σε σταθερό επίπεδο, η αναλογία Vs / would θα αποδίδεται επίσης σε σταθερή σχετική ταχύτητα. Επομένως, όποτε αυξάνεται η ταχύτητα του κινητήρα, η τάση κατά μήκος της περιελίξεως του στάτορα θα πρέπει επίσης να αυξάνεται αναλογικά, έτσι ώστε να μπορεί να διατηρείται σταθερή Vs / f.

Ωστόσο, εδώ η ολίσθηση είναι η συνάρτηση του φορτίου που συνδέεται με τον κινητήρα, η σύγχρονη ταχύτητα συχνότητας δεν απεικονίζει την πραγματική ταχύτητα του κινητήρα.

Σε περίπτωση απουσίας ροπής φορτίου στον ρότορα, η προκύπτουσα ολίσθηση μπορεί να είναι αμελητέα μικρή, επιτρέποντας στον κινητήρα να φτάσει κοντά σε σύγχρονες ταχύτητες.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μια βασική διαμόρφωση Vs / f ή V / Hz ενδέχεται να μην έχει τη δυνατότητα εφαρμογής ακριβούς ελέγχου ταχύτητας ενός επαγωγικού κινητήρα όταν ο κινητήρας είναι συνδεδεμένος με ροπή φορτίου. Ωστόσο, η αντιστάθμιση ολίσθησης μπορεί εύκολα να εισαχθεί στο σύστημα μαζί με τη μέτρηση της ταχύτητας.

Η παρακάτω γραφική αναπαράσταση απεικονίζει με σαφήνεια έναν αισθητήρα ταχύτητας μέσα σε ένα σύστημα κλειστού βρόχου V / Hz.

Σε πρακτικές εφαρμογές, συνήθως ο λόγος της τάσης και της συχνότητας του στάτορα μπορεί να εξαρτάται από την ίδια την βαθμολογία αυτών των παραμέτρων.

Ανάλυση ελέγχου ταχύτητας V / Hz

Μια τυπική ανάλυση V / Hz φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα.

Βασικά θα βρείτε 3 εύρη επιλογών ταχύτητας μέσα σε ένα προφίλ V / Hz, το οποίο μπορεί να γίνει κατανοητό από τα ακόλουθα σημεία:

• Αναφέρεται σε σχήμα 4 όταν η συχνότητα διακοπής είναι στην περιοχή 0-fc, καθίσταται απαραίτητη μια είσοδος τάσης, η οποία αναπτύσσει μια πιθανή πτώση κατά μήκος της περιέλιξης του στάτη, και αυτή η πτώση τάσης δεν μπορεί να αγνοηθεί και πρέπει να αντισταθμιστεί αυξάνοντας την τάση τροφοδοσίας Vs. Αυτό δείχνει ότι σε αυτήν την περιοχή το προφίλ αναλογίας V / Hz δεν είναι γραμμική συνάρτηση. Μπορούμε να αξιολογήσουμε αναλυτικά τη διακοπή συχνότητας fc για κατάλληλες τάσεις στάτορα με τη βοήθεια του ισοδύναμου κυκλώματος σταθερής κατάστασης με Rs ≠ 0.
• Στην περιοχή fc-r (ονομαστική) Hz, είναι σε θέση να εκτελέσει μια σταθερή σχέση Vs / Hz, στην περίπτωση αυτή η κλίση της σχέσης σημαίνει ποσότητα ροής διακένου αέρα .
• Στην περιοχή πέρα ​​από το f (ονομαστικό), τρέχοντας σε υψηλότερες συχνότητες, καθίσταται αδύνατη η εκτέλεση του λόγου Vs / f με σταθερό ρυθμό, καθώς σε αυτή τη θέση η τάση στάτη τείνει να περιορίζεται στην τιμή f (ονομαστική). Αυτό συμβαίνει για να βεβαιωθείτε ότι η περιέλιξη του στάτη δεν υποβάλλεται σε μόνωση. Λόγω αυτής της κατάστασης, η προκύπτουσα ροή διακένου αέρα τείνει να παραβιαστεί και να μειωθεί, οδηγώντας σε αντίστοιχη μείωση της ροπής του ρότορα. Αυτή η φάση λειτουργίας σε επαγωγικούς κινητήρες ονομάζεται «Περιοχή αδυναμίας πεδίου» . Για να αποφευχθεί αυτού του είδους η κατάσταση, συνήθως δεν τηρείται ένας σταθερός κανόνας V / Hz σε αυτά τα εύρη συχνοτήτων.

Λόγω της παρουσίας μιας σταθερής μαγνητικής ροής στάτορα ανεξάρτητα από την αλλαγή συχνότητας στην περιέλιξη της στάσης, η ροπή στο ρότορα πρέπει τώρα να βασίζεται μόνο στην ταχύτητα ολίσθησης, αυτό το φαινόμενο μπορεί να φανεί στο σχήμα 5 πάνω από

Με την κατάλληλη ρύθμιση της ταχύτητας ολίσθησης, η ταχύτητα ενός επαγωγικού κινητήρα θα μπορούσε να ελεγχθεί αποτελεσματικά μαζί με τη ροπή στο φορτίο του ρότορα χρησιμοποιώντας μια σταθερή αρχή V / Hz.

Επομένως, είτε πρόκειται για λειτουργία ελέγχου ταχύτητας ανοικτού είτε κλειστού βρόχου, και τα δύο θα μπορούσαν να εφαρμοστούν χρησιμοποιώντας τον κανόνα σταθερού V / Hz.

Ένας τρόπος ελέγχου ανοικτού βρόχου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές όπου η ακρίβεια του ελέγχου ταχύτητας μπορεί να μην είναι σημαντικός παράγοντας, όπως σε μονάδες HVAC ή συσκευές όπως ανεμιστήρας και φυσητήρας. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η συχνότητα στο φορτίο βρίσκεται με αναφορά στο απαιτούμενο επίπεδο ταχύτητας του κινητήρα και η ταχύτητα του ρότορα αναμένεται να ακολουθεί περίπου την στιγμιαία σύγχρονη ταχύτητα. Οποιαδήποτε μορφή ασυμφωνίας στην ταχύτητα που προκύπτει από την ολίσθηση του κινητήρα γενικά αγνοείται και γίνεται αποδεκτή σε τέτοιες εφαρμογές.

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