Понимание скалярного (V / f) управления для асинхронных двигателей

В этой статье мы попытаемся понять, как реализуется скалярный алгоритм управления для управления скоростью асинхронного двигателя с помощью относительно простых вычислений, и при этом добиться достаточно хорошего линейно регулируемого управления скоростью двигателя.

Отчеты многих ведущих рыночных анализов показывают, что асинхронные двигатели являются наиболее популярными при работе с тяжелыми промышленными двигателями. Основные причины популярности асинхронных двигателей в основном связаны с их высокой степенью надежности, большей надежностью с точки зрения износа и сравнительно высокой функциональной эффективностью.

Тем не менее, у асинхронных двигателей есть один типичный недостаток, поскольку ими нелегко управлять обычными традиционными методами. Управление асинхронными двигателями относительно сложно из-за его довольно сложной математической конфигурации, которая в первую очередь включает:

• Нелинейный отклик при насыщении ядра
• Неустойчивость формы колебаний из-за переменной температуры обмотки.

Из-за этих критических аспектов реализация управления асинхронным двигателем оптимально требует тщательно рассчитанного алгоритма с высокой надежностью, например, с использованием метода «векторного управления» и дополнительно с использованием системы обработки на основе микроконтроллера.

Понимание реализации скалярного управления

Однако существует другой метод, который может применяться для реализации управления асинхронным двигателем с использованием гораздо более простой конфигурации, это скалярное управление, включающее методы без векторного управления.

Фактически можно включить асинхронный двигатель переменного тока в установившееся состояние, управляя им с помощью систем прямой обратной связи по напряжению и тока.

В этом скалярном методе скалярная переменная может быть изменена после достижения ее правильного значения либо путем практических экспериментов, либо с помощью подходящих формул и расчетов.

Затем это измерение можно использовать для реализации управления двигателем через схему разомкнутого контура или через топологию замкнутого контура обратной связи.

Несмотря на то, что скалярный метод управления обещает достаточно хорошие установившиеся результаты для двигателя, его переходная характеристика может быть не на должном уровне.

Как работают асинхронные двигатели

Слово «индукция» в асинхронных двигателях относится к уникальному способу их работы, при котором намагничивание ротора обмоткой статора становится решающим аспектом работы.

Когда переменный ток подается через обмотку статора, колеблющееся магнитное поле от обмотки статора взаимодействует с якорем ротора, создавая новое магнитное поле на роторе, которое, в свою очередь, реагирует с магнитным полем статора, вызывая большой крутящий момент на роторе. . Этот крутящий момент обеспечивает необходимую эффективную механическую мощность для машины.

Что такое 3-фазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Это самый популярный вариант асинхронных двигателей, который широко используется в промышленности. В асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором ротор несет серию стержневых проводников, окружающих ось ротора, представляя уникальную структуру, подобную клетке, отсюда и название «беличья клетка».

Эти стержни, имеющие перекос по форме и вращающиеся вокруг оси ротора, прикреплены толстыми и прочными металлическими кольцами на концах стержней. Эти металлические кольца не только помогают надежно закрепить шины на месте, но и обеспечивают необходимое электрическое короткое замыкание между стержнями.

Когда на обмотку статора подается последовательный трехфазный синусоидальный переменный ток, результирующее магнитное поле также начинает двигаться с той же скоростью, что и трехфазная синусоидальная частота статора (ωs).

Поскольку узел ротора с короткозамкнутым ротором удерживается внутри обмотки статора, указанное выше переменное трехфазное магнитное поле от обмотки статора вступает в реакцию с узлом ротора, создавая эквивалентное магнитное поле на стержневых проводниках узла клетки.

Это заставляет вторичное магнитное поле накапливаться вокруг стержней ротора, и, следовательно, это новое магнитное поле вынуждено взаимодействовать с полем статора, создавая вращающий момент на роторе, который пытается следовать направлению магнитного поля статора.

В процессе скорость ротора пытается достичь частотной скорости статора, и по мере приближения к скорости синхронного магнитного поля статора относительная разность скоростей e между частотной скоростью статора и скоростью вращения ротора начинает уменьшаться, что вызывает уменьшение магнитного поля. взаимодействие магнитного поля ротора с магнитным полем статора, что в конечном итоге приводит к уменьшению крутящего момента на роторе и эквивалентной выходной мощности ротора.

Это приводит к минимальной мощности на роторе, и говорят, что при этой скорости ротор достиг установившегося состояния, когда нагрузка на ротор эквивалентна и соответствует крутящему моменту на роторе.

Работу асинхронного двигателя в ответ на нагрузку можно резюмировать следующим образом:

Поскольку становится обязательным поддерживать тонкую разницу между скоростью вращения ротора (вала) и скоростью внутренней частоты статора, скорость вращения ротора, которая фактически обрабатывает нагрузку, вращается с немного меньшей скоростью, чем частота вращения статора. И наоборот, если мы предположим, что статор подключен к трехфазному источнику питания 50 Гц, то угловая скорость этой частоты 50 Гц через обмотку статора всегда будет немного выше, чем отклик скорости вращения ротора, это по сути поддерживается для обеспечения оптимального мощность на роторе.

Что такое скольжение в асинхронном двигателе

Относительная разница между частотной угловой скоростью статора и реактивной скоростью вращения ротора называется «скольжением». Проскальзывание должно присутствовать даже в ситуациях, когда двигатель работает со стратегией, ориентированной на поле.

Поскольку вал ротора в асинхронных двигателях не зависит от какого-либо внешнего возбуждения для своего вращения, он может работать без обычных контактных колец или щеток, обеспечивая практически нулевой износ, высокую эффективность и недорогое обслуживание.

Коэффициент крутящего момента в этих двигателях определяется углом, установленным между магнитными потоками статора и ротора.

Глядя на диаграмму ниже, мы видим, что скорость ротора задается как Ω, а частоты на статоре и роторе определяются параметром «s» или скольжением, представленным формулой:

s = ( ω s - ω р ) / ω s

В приведенном выше выражении s - это «скольжение», которое показывает разницу между синхронной частотой вращения статора и фактической скоростью двигателя, развиваемой на валу ротора.

Понимание скалярной теории управления скоростью

В концепциях управления асинхронным двигателем, где Технические В / Гц используется, регулирование скорости осуществляется путем регулирования напряжения статора относительно частоты, так что поток в воздушном зазоре никогда не может отклоняться за пределы ожидаемого диапазона установившегося состояния, другими словами, он поддерживается в пределах этого расчетного установившегося состояния. значение, и поэтому его также называют скалярное управление метод, так как метод сильно зависит от установившейся динамики для управления скоростью двигателя.

Мы можем понять работу этой концепции, обратившись к следующему рисунку, на котором показана упрощенная схема метода скалярного управления. В установке предполагается, что сопротивление статора (Rs) равно нулю, в то время как индуктивность рассеяния статора (LIs) воздействует на утечку ротора и индуктивность намагничивания (LIr). Можно увидеть, что (LIr), который фактически отображает величину потока в воздушном зазоре, был сдвинут до полной индуктивности рассеяния (Ll = Lls + Llr).

Благодаря этому поток в воздушном зазоре, создаваемый током намагничивания, приобретает приблизительное значение, близкое к соотношению частот статора. Таким образом, векторное выражение для оценки устойчивого состояния можно записать следующим образом:

Для асинхронных двигателей, которые могут работать в своих линейных магнитных областях, Lm не изменится и останется постоянным, в таких случаях приведенное выше уравнение может быть выражено как:

Где V и Λ - значения напряжения статора и магнитного потока статора соответственно, тогда как Ṽ представляет параметр вектора в проекте.

Последнее выражение выше ясно объясняет, что до тех пор, пока отношение V / f поддерживается постоянным независимо от любого изменения входной частоты (f), поток также остается постоянным, что позволяет току работать независимо от частоты напряжения питания. . Это означает, что если ΛM поддерживается на постоянном уровне, соотношение Vs / также будет отображаться с постоянной соответствующей скоростью. Следовательно, всякий раз, когда скорость двигателя увеличивается, напряжение на обмотке статора также необходимо пропорционально увеличивать, чтобы можно было поддерживать постоянное значение Vs / f.

Однако здесь скольжение является функцией нагрузки, приложенной к двигателю, скорость синхронной частоты не отображает реальную скорость двигателя.

В отсутствие крутящего момента нагрузки на ротор результирующее скольжение может быть пренебрежимо малым, что позволяет двигателю достигать скоростей, близких к синхронным.

Вот почему базовая конфигурация Vs / f или V / Hz обычно может не иметь возможности реализовать точное управление скоростью асинхронного двигателя, когда двигатель присоединен с нагрузочным моментом. Однако компенсация скольжения может быть довольно легко введена в систему вместе с измерением скорости.

На приведенном ниже графическом изображении четко показан датчик скорости в замкнутой системе В / Гц.

В практических реализациях, как правило, соотношение напряжения статора и частоты может зависеть от номинальных значений этих параметров.

Анализ управления скоростью В / Гц

Стандартный анализ В / Гц можно увидеть на следующем рисунке.

По сути, вы найдете 3 диапазона выбора скорости в профиле В / Гц, которые можно понять из следующих пунктов:

• Ссылаясь на фигура 4 когда частота среза находится в диапазоне 0-fc, входное напряжение становится существенным, что вызывает падение потенциала на обмотке статора, и это падение напряжения нельзя игнорировать, и его необходимо компенсировать увеличением напряжения питания Vs. Это указывает на то, что в этой области профиль отношения В / Гц не является линейной функцией. Мы можем аналитически оценить частоту отсечки fc для соответствующих напряжений статора с помощью эквивалентной схемы установившегося состояния, имеющей Rs 0.
• В области fc-r (номинальной) Гц он может поддерживать постоянное соотношение Vs / Hz, в этом случае наклон отношения означает величина потока воздушного зазора .
• В области за пределами f (номинальной) при работе на более высоких частотах становится невозможным поддерживать отношение Vs / f с постоянной скоростью, так как в этом положении напряжение статора имеет тенденцию ограничиваться на уровне f (номинального). Это происходит для того, чтобы убедиться, что обмотка статора не подвергнется пробою изоляции. Из-за этой ситуации результирующий магнитный поток в воздушном зазоре имеет тенденцию ухудшаться и уменьшаться, что приводит к соответствующему уменьшению крутящего момента ротора. Эта фаза работы в асинхронных двигателях называется «Область ослабления поля» . Во избежание такой ситуации обычно не соблюдается правило постоянного напряжения / Гц в этих частотных диапазонах.

Из-за наличия постоянного магнитного потока статора независимо от изменения частоты в статорной обмотке, крутящий момент на роторе теперь должен зависеть только от скорости скольжения, этот эффект можно увидеть на цифра 5 над

При соответствующем регулировании скорости скольжения можно эффективно управлять скоростью асинхронного двигателя вместе с крутящим моментом на нагрузке ротора, используя принцип постоянного напряжения вольт / Гц.

Поэтому независимо от того, является ли это режимом управления скоростью с открытым или замкнутым контуром, оба могут быть реализованы с использованием правила постоянного напряжения / Гц.

Режим управления с разомкнутым контуром может использоваться в приложениях, где точность регулирования скорости не может быть важным фактором, например, в установках HVAC или устройствах, подобных вентиляторам и нагнетателям. В таких случаях частота для нагрузки определяется исходя из требуемого уровня скорости двигателя, и ожидается, что скорость ротора приблизительно соответствует мгновенной синхронной скорости. Любая форма несоответствия скорости, возникающая из-за скольжения двигателя, обычно игнорируется и принимается в таких приложениях.

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