Разбиране на скаларен (V / f) контрол за асинхронни двигатели

В тази статия ще се опитаме да разберем как се прилага скаларен алгоритъм за управление за управление на скоростта на асинхронния двигател с относително ясни изчисления и все пак да постигнем сравнително добър линейно променлив контрол на скоростта на двигателя.

Доклади от много анализи на най-добрите пазари разкриват това асинхронни двигатели са най-популярни, когато става въпрос за работа с тежки индустриални приложения и работни места, свързани с двигатели. Основните причини за популярността на асинхронните двигатели се дължат основно на неговата висока степен на здравина, по-голяма надеждност по отношение на износването и сравнително висока функционална ефективност.

Въпреки това, асинхронните двигатели имат един типичен недостатък, тъй като те не са лесни за управление с обикновени конвенционални методи. Управлението на асинхронни двигатели е относително взискателно поради неговата доста сложна математическа конфигурация, която включва предимно:

• Нелинеен отговор при насищане на сърцевината
• Нестабилност във формата на колебания поради различна температура на намотката.

Поради тези критични аспекти, внедряването на управление на асинхронния двигател оптимално изисква задълбочено изчислен алгоритъм с висока надеждност, например с помощта на метод „векторно управление” и допълнително с помощта на система за обработка, базирана на микроконтролер.

Разбиране на внедряването на скаларен контрол

Съществува обаче друг метод, който може да се приложи за осъществяване на управление на асинхронния двигател, използвайки много по-лесна конфигурация, това е скаларното управление, включващо техники на не-векторно задвижване.

Всъщност е възможно да се активира AC асинхронен двигател в стационарно състояние, като се работи с права система за обратна връзка с напрежение и ток.

При този скаларен метод скаларната променлива може да бъде променена, след като се постигне правилната й стойност или чрез практически експерименти, или чрез подходящи формули и изчисления.

На следващо място, това измерване може да се използва за осъществяване на управление на двигателя чрез верига с отворен контур или чрез топология на затворена верига за обратна връзка.

Въпреки че скаларният метод за управление обещава сравнително добри резултати в стабилно състояние на двигателя, преходният му отговор може да не достигне целта.

Как работят асинхронните двигатели

Думата „индукция“ в асинхронните двигатели се отнася до уникалния начин на нейното функциониране, при който магнетизирането на ротора от намотката на статора става решаващ аспект на работата.

Когато AC се прилага през намотката на статора, трептящото магнитно поле от намотката на статора взаимодейства с котвата на ротора, създавайки ново магнитно поле върху ротора, което от своя страна реагира с магнитното поле на статора, предизвиквайки голямо количество въртящ момент на ротора . Този въртящ момент осигурява необходимия ефективен механичен изход на машината.

Какво представлява 3-фазният асинхронен двигател с катерица

Това е най-популярният вариант на асинхронни двигатели и се използва широко в промишлени приложения. В асинхронен двигател с клетка на катерица, роторът носи серия от проводници, подобни на пръти, заобикалящи оста на ротора, представящи уникална структура, подобна на клетка, и оттук името „клетка на катерица“.

Тези пръти, които са изкривени по форма и вървят по оста на ротора, са прикрепени с дебели и здрави метални пръстени в краищата на прътите. Тези метални пръстени не само помагат за здраво закрепване на решетките, но и налагат съществено електрическо късо съединение през решетките.

Когато намотката на статора се прилага с последователен 3-фазен синусоидален променлив ток, полученото магнитно поле също започва да се движи със същата скорост като трифазната синусоидална честота на статора (ωs).

Тъй като роторният механизъм на катеричната клетка се държи в намотката на статора, горното променливо 3-фазно магнитно поле от намотката на статора реагира с роторния възел, предизвиквайки еквивалентно магнитно поле върху прътовите проводници на клетката.

Това принуждава вторично магнитно поле да се натрупва около роторните пръти и следователно това ново магнитно поле е принудено да взаимодейства със статорното поле, налагайки въртящ момент на ротора, който се опитва да следва посоката на статорното магнитно поле.

В процеса на скоростта на ротора се опитва да постигне честотата на статора и когато се приближава към скоростта на синхронното магнитно поле на статора, относителната разлика в скоростта e между скоростта на честотата на статора и скоростта на въртене на ротора започва да намалява, което води до намаляване на магнитната взаимодействие на магнитното поле на ротора с магнитното поле на статора, в крайна сметка намалява въртящия момент на ротора и еквивалентната изходна мощност на ротора.

Това води до минимална мощност на ротора и при тази скорост се казва, че роторът е придобил стабилно състояние, където натоварването на ротора е еквивалентно и съответства на въртящия момент на ротора.

Работата на асинхронен двигател в отговор на товар може да бъде обобщена, както е обяснено по-долу:

Тъй като става задължително да се поддържа фина разлика между скоростта на ротора (вала) и скоростта на вътрешната честота на статора, скоростта на ротора, която всъщност се справя с товара, се върти с леко намалена скорост от честотата на статора. И обратно, ако приемем, че статорът се прилага с 50Hz захранване с 3 фази, тогава ъгловата скорост на тази честота от 50Hz през намотката на статора винаги ще бъде малко по-висока от реакцията в скоростта на въртене на ротора, това по своята същност се поддържа, за да се осигури оптимална захранване на ротора.

Какво е приплъзване в асинхронен двигател

Относителната разлика между ъгловата честота на статора и отзивчивата скорост на въртене на ротора се нарича „приплъзване“. Приплъзването трябва да присъства дори в ситуации, когато двигателят се управлява с ориентирана към полето стратегия.

Тъй като роторният вал в асинхронните двигатели не зависи от някакво външно възбуждане за въртенето си, той може да работи без конвенционални плъзгащи пръстени или четки, осигуряващи практически нулево износване, висока ефективност и въпреки това евтино с неговата поддръжка.

Коефициентът на въртящ момент в тези двигатели се определя от ъгъла, установен между магнитните потоци на статора и ротора.

Разглеждайки диаграмата по-долу, можем да видим, че скоростта на ротора е зададена като Ω, а честотите на статора и ротора се определят от параметъра „s“ или приплъзването, представено с формулата:

s = ( ω с - ω r ) / ω с

В горния израз s е „приплъзване“, което показва разликата между скоростта на синхронната честота на статора и действителната скорост на двигателя, развита върху вала на ротора.

Разбиране на теорията за скаларен контрол на скоростта

В концепциите за управление на асинхронен двигател където Технически V / Hz се използва, регулирането на скоростта се осъществява чрез регулиране на напрежението на статора по отношение на честотата, така че потокът на въздушната междина никога да не може да се отклонява извън очаквания диапазон на стационарно състояние, с други думи, той се поддържа в рамките на това очаквано стабилно състояние стойност и следователно се нарича още скаларен контрол метод, тъй като техниката силно зависи от динамиката в стационарно състояние за управление на скоростта на двигателя.

Можем да разберем работата на тази концепция, като се позовем на следващата фигура, която показва опростената схема на скаларна техника за управление. При настройката се приема, че съпротивлението на статора (Rs) е нула, докато индуктивността на изтичане на статора (LIs), въздействаща върху изтичането на ротора и индуктивността на намагнитване (LIr). [LIr], който всъщност изобразява величината на потока на въздушната междина, може да се види, че е бил изтласкан преди общата индуктивност на изтичане (Ll = Lls + Llr).

Поради това потокът на въздушната междина, създаден от магнетизиращия ток, получава приблизителна стойност, близка до честотното съотношение на статора. По този начин фазовият израз за оценка в стационарно състояние може да бъде записан, както следва:

За асинхронни двигатели, които могат да работят в техните линейни магнитни области, Lm няма да се промени и да остане постоянна, в такива случаи горното уравнение може да бъде изразено като:

Където V и Λ са съответно стойностите на напрежението на статора и потока на статора, докато Ṽ представлява параметърът на фазора в проекта.

Последният израз по-горе ясно обяснява, че докато съотношението V / f се поддържа постоянно, независимо от каквато и да е промяна във входната честота (f), тогава потокът също остава постоянен, което позволява на тока да работи без да зависи от честотата на захранващото напрежение . Това означава, че ако ΛM се поддържа на постоянно ниво, съотношението Vs / ƒ също ще се визуализира с постоянна съответна скорост. Следователно, когато скоростта на двигателя се увеличи, напрежението на намотката на статора също ще трябва да бъде пропорционално увеличено, за да може да се поддържа постоянна Vs / f.

Тук обаче приплъзването е функция на товара, прикрепен към двигателя, скоростта на синхронната честота не изобразява реалната скорост на двигателя.

При липса на въртящ момент на натоварване на ротора, полученото приплъзване може да бъде пренебрежимо малко, което позволява на двигателя да достигне близо до синхронни скорости.

Ето защо основната конфигурация Vs / f или V / Hz обикновено може да няма способността да реализира точен контрол на скоростта на асинхронен двигател, когато двигателят е прикрепен с въртящ момент на натоварване. Въпреки това компенсацията на приплъзване може да бъде доста лесно въведена в системата заедно с измерването на скоростта.

Посоченото по-долу графично изображение ясно изобразява сензор за скорост в затворена верига V / Hz система.

В практическите изпълнения обикновено съотношението на напрежението и честотата на статора може да зависи от самата оценка на тези параметри.

Анализиране на контрол на скоростта V / Hz

На следващата фигура може да се види стандартен V / Hz анализ.

По принцип ще намерите 3 диапазона за избор на скорост в профил V / Hz, което може да се разбере от следните точки:

• Отнасящи се до фигура 4 когато честотата на прекъсване е в областта 0-fc, входното напрежение става от съществено значение, което развива потенциален спад в намотката на статора и този спад на напрежението не може да бъде пренебрегнат и изисква да бъде компенсиран чрез увеличаване на захранващото напрежение Vs. Това показва, че в този регион профилът на съотношението V / Hz не е линейна функция. Можем да анализираме аналитично прекъснатата честота fc за подходящи напрежения на статора с помощта на равновесна еквивалентна верига с Rs ≠ 0.
• В регион fc-r (номинален) Hz, той може да изпълнява постоянна връзка Vs / Hz, в този случай наклонът на връзката означава количество на потока на въздушната междина .
• В областта извън f (номинална), работеща при по-високи честоти, става невъзможно да се извърши съотношението Vs / f с постоянна скорост, тъй като в това положение напрежението на статора има тенденция да се ограничава при f (номиналната) стойност. Това се случва, за да се гарантира, че намотката на статора не е подложена на повреда на изолацията. Поради тази ситуация полученият поток на въздушната междина има тенденция да бъде компрометиран и намален, което води до съответно намаляващ въртящ момент на ротора. Тази работна фаза в асинхронните двигатели се нарича като „Област за отслабване на полето“ . За да се предотврати този вид ситуация, обикновено в тези честотни диапазони не се спазва постоянно правило V / Hz.

Поради наличието на постоянен магнитен поток на статора, независимо от промяната на честотата в старната намотка, моментът на ротора сега трябва да разчита само на скоростта на приплъзване, този ефект може да се види в фигура 5 по-горе

С подходящо регулиране на скоростта на приплъзване, скоростта на асинхронен двигател може да бъде ефективно контролирана заедно с въртящия момент върху натоварването на ротора чрез използване на постоянен принцип V / Hz.

Следователно, независимо дали става въпрос за режим на отворен или затворен цикъл на контрол на скоростта, и двете могат да бъдат реализирани с помощта на правилото за постоянна V / Hz.

Режим на управление с отворен контур може да се използва в приложения, при които точността на регулирането на скоростта може да не е важен фактор, като например в HVAC устройства или вентилатори и вентилатори като уреди. В такива случаи честотата на натоварването се определя чрез позоваване на необходимото ниво на скорост на двигателя и скоростта на ротора се очаква приблизително да следва моментната синхронна скорост. Всяка форма на несъответствие в скоростта, произтичаща от приплъзване на двигателя, обикновено се игнорира и приема в такива приложения.

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