Comprensione del controllo scalare (V / f) per motori a induzione

In questo articolo cercheremo di capire come viene implementato l'algoritmo di controllo scalare per controllare la velocità del motore a induzione con calcoli relativamente semplici, e tuttavia ottenere un controllo della velocità lineare del motore ragionevolmente buono.

I rapporti di molte importanti analisi di mercato lo rivelano motori a induzione sono i più popolari quando si tratta di gestire applicazioni e lavori relativi a motori industriali pesanti. Le ragioni principali alla base della popolarità dei motori a induzione sono fondamentalmente dovute al suo alto grado di robustezza, maggiore affidabilità in termini di problemi di usura e efficienza funzionale relativamente alta.

Detto questo, i motori a induzione hanno un tipico svantaggio, in quanto non sono facili da controllare con i metodi convenzionali ordinari. Il controllo dei motori a induzione è relativamente impegnativo a causa della sua configurazione matematica piuttosto complessa, che include principalmente:

• Risposta non lineare alla saturazione del nucleo
• Instabilità nelle oscillazioni di forma dovute al variare della temperatura dell'avvolgimento.

A causa di questi aspetti critici, l'implementazione del controllo del motore a induzione richiede in modo ottimale un algoritmo accuratamente calcolato con elevata affidabilità, ad esempio utilizzando un metodo di 'controllo vettoriale' e inoltre un sistema di elaborazione basato su microcontrollore.

Comprensione dell'implementazione del controllo scalare

Tuttavia esiste un altro metodo che può essere applicato per implementare il controllo del motore a induzione utilizzando una configurazione molto più semplice, è il controllo scalare che incorpora tecniche di azionamento non vettoriali.

È effettivamente possibile abilitare un motore a induzione CA in uno stato stazionario facendolo funzionare con un feedback di tensione diretto e sistemi controllati in corrente.

In questo metodo scalare, la variabile scalare può essere modificata una volta ottenuto il suo valore corretto sia sperimentando in pratica sia attraverso formule e calcoli adeguati.

Successivamente, questa misurazione può essere utilizzata per implementare il controllo del motore tramite un circuito ad anello aperto o attraverso una topologia ad anello di retroazione chiuso.

Anche se il metodo di controllo scalare promette risultati di stato stazionario ragionevolmente buoni sul motore, la sua risposta ai transienti potrebbe non essere all'altezza.

Come funzionano i motori a induzione

La parola 'induzione' nei motori a induzione si riferisce al modo unico del suo funzionamento in cui magnetizzare il rotore dall'avvolgimento dello statore diventa un aspetto cruciale del funzionamento.

Quando viene applicata CA attraverso l'avvolgimento dello statore, il campo magnetico oscillante dall'avvolgimento dello statore interagisce con l'armatura del rotore creando un nuovo campo magnetico sul rotore, che a sua volta reagisce con il campo magnetico dello statore inducendo una quantità elevata di coppia rotazionale sul rotore . Questa coppia di rotazione fornisce l'uscita meccanica effettiva richiesta alla macchina.

Che cos'è il motore a induzione a gabbia di scoiattolo trifase

È la variante più popolare dei motori a induzione ed è ampiamente utilizzata nelle applicazioni industriali. In un motore a induzione a gabbia di scoiattolo, il rotore trasporta una serie di conduttori a barra che circondano l'asse del rotore presentando una struttura a gabbia unica e da qui il nome 'gabbia di scoiattolo'.

Queste barre, di forma inclinata e che corrono intorno all'asse del rotore, sono fissate con anelli metallici spessi e robusti alle estremità delle barre. Questi anelli metallici non solo aiutano a fissare saldamente le barre in posizione, ma impongono anche un cortocircuito elettrico essenziale attraverso le barre.

Quando l'avvolgimento dello statore viene applicato con una corrente alternata sinusoidale trifase di sequenziamento, anche il campo magnetico risultante inizia a muoversi con la stessa velocità della frequenza sinusoidale dello statore trifase (ωs).

Poiché il gruppo rotore a gabbia di scoiattolo è tenuto all'interno dell'avvolgimento dello statore, il campo magnetico trifase alternato di cui sopra dall'avvolgimento dello statore reagisce con il gruppo rotore inducendo un campo magnetico equivalente sui conduttori a barra del gruppo gabbia.

Ciò costringe un campo magnetico secondario a formarsi attorno alle barre del rotore, e di conseguenza questo nuovo campo magnetico è costretto ad interagire con il campo dello statore, imponendo una coppia rotazionale al rotore che cerca di seguire la direzione del campo magnetico dello statore.

Nel processo la velocità del rotore cerca di raggiungere la velocità di frequenza dello statore, e quando si avvicina alla velocità del campo magnetico sincrono dello statore, la differenza di velocità relativa e tra la velocità di frequenza dello statore e la velocità di rotazione del rotore inizia a diminuire, il che provoca una diminuzione del campo magnetico interazione del campo magnetico del rotore sul campo magnetico dello statore, diminuendo infine la coppia sul rotore e la potenza di uscita equivalente del rotore.

Ciò porta a una potenza minima sul rotore e a questa velocità si dice che il rotore abbia acquisito uno stato stazionario, dove il carico sul rotore è equivalente e corrispondente alla coppia sul rotore.

Il funzionamento di un motore a induzione in risposta a un carico può essere riassunto come spiegato di seguito:

Poiché diventa obbligatorio mantenere una sottile differenza tra la velocità del rotore (albero) e la velocità della frequenza dello statore interno, la velocità del rotore che gestisce effettivamente il carico, ruota a una velocità leggermente ridotta rispetto alla velocità della frequenza dello statore. Al contrario, se supponiamo che lo statore sia applicato con alimentazione trifase a 50 Hz, la velocità angolare di questa frequenza di 50 Hz attraverso l'avvolgimento dello statore sarà sempre leggermente superiore alla risposta alla velocità di rotazione del rotore, questa viene intrinsecamente mantenuta per garantire un ottimale accendere il rotore.

Che cos'è lo slittamento nel motore a induzione

La differenza relativa tra la velocità angolare di frequenza dello statore e la velocità di rotazione reattiva del rotore è definita 'scorrimento'. Lo scorrimento deve essere presente anche in situazioni in cui il motore viene azionato con una strategia orientata al campo.

Poiché l'albero del rotore nei motori a induzione non dipende da alcuna eccitazione esterna per la sua rotazione, può funzionare senza collettori rotanti o spazzole convenzionali garantendo praticamente zero usura, alta efficienza e tuttavia poco costoso con la sua manutenzione.

Il fattore di coppia in questi motori è determinato dall'angolo stabilito tra i flussi magnetici dello statore e del rotore.

Guardando il diagramma sottostante, possiamo vedere che la velocità del rotore è assegnata come Ω, e le frequenze attraverso lo statore e il rotore sono determinate dal parametro 's' o lo scorrimento, presentato con la formula:

s = ( ω S - ω r ) / ω S

Nell'espressione sopra, s è lo 'scorrimento' che mostra la differenza tra la velocità di frequenza sincrona dello statore e la velocità effettiva del motore sviluppata sull'albero del rotore.

Comprensione della teoria del controllo della velocità scalare

Nei concetti di controllo del motore a induzione dove V / Hz tecnico è impiegato, il controllo della velocità viene implementato regolando la tensione dello statore rispetto alla frequenza in modo tale che il flusso del traferro non sia mai in grado di deviare oltre il range previsto dello stato stazionario, in altre parole viene mantenuto all'interno di questo stato stazionario stimato value, e quindi è anche chiamato controllo scalare metodo poiché la tecnica dipende fortemente dalla dinamica di stato stazionario per il controllo della velocità del motore.

Possiamo comprendere il funzionamento di questo concetto facendo riferimento alla figura seguente, che mostra lo schema semplificato di una tecnica di controllo scalare. Nella configurazione si presume che la resistenza dello statore (Rs) sia zero, mentre l'induttanza di perdita dello statore (LIs) impressa sulla perdita del rotore e l'induttanza magnetizzante (LIr). Si può vedere che la (LIr) che rappresenta effettivamente l'entità del flusso del traferro è stata spinta prima dell'induttanza di dispersione totale (Ll = Lls + Llr).

A causa di ciò, il flusso del traferro creato dalla corrente di magnetizzazione ottiene un valore approssimativo vicino al rapporto di frequenza dello statore. Pertanto, l'espressione del fasore per una valutazione dello stato stazionario può essere scritta come segue:

Per i motori a induzione che possono funzionare nelle loro regioni magnetiche lineari, Lm non cambierà e rimarrà costante, in tali casi l'equazione di cui sopra può essere espressa come:

Dove V e Λ sono rispettivamente i valori di tensione dello statore e il flusso dello statore, mentre Ṽ rappresenta il parametro fasore nel progetto.

L'ultima espressione sopra spiega chiaramente che fintanto che il rapporto V / f viene mantenuto costante indipendentemente da qualsiasi variazione della frequenza di ingresso (f), anche il flusso rimane costante, il che consente alla coppia di funzionare senza dipendere dalla frequenza della tensione di alimentazione . Ciò implica che se ΛM è mantenuto a un livello costante, anche il rapporto Vs / ƒ sarebbe reso a una velocità rilevante costante. Pertanto, ogni volta che si aumenta la velocità del motore, sarà necessario aumentare proporzionalmente anche la tensione ai capi dell'avvolgimento dello statore, in modo da mantenere una Vs / f costante.

Tuttavia qui lo scorrimento è funzione del carico attaccato al motore, la velocità di frequenza sincrona non rappresenta la velocità reale del motore.

In assenza di una coppia di carico sul rotore, lo scorrimento risultante può essere trascurabilmente piccolo, consentendo al motore di raggiungere velocità prossime alla sincronia.

Questo è il motivo per cui una configurazione di base Vs / f o V / Hz di solito potrebbe non avere la capacità di implementare un controllo accurato della velocità di un motore a induzione quando il motore è collegato con una coppia di carico. Tuttavia, una compensazione dello scorrimento può essere facilmente introdotta nel sistema insieme alla misurazione della velocità.

La rappresentazione grafica sotto indicata mostra chiaramente un sensore di velocità all'interno di un sistema V / Hz a circuito chiuso.

Nelle implementazioni pratiche, tipicamente il rapporto tra la tensione e la frequenza dello statore può dipendere dal valore nominale di questi parametri stessi.

Analisi del controllo della velocità V / Hz

Nella figura seguente è possibile osservare un'analisi V / Hz standard.

Fondamentalmente troverai 3 gamme di selezione della velocità all'interno di un profilo V / Hz, che può essere compreso dai seguenti punti:

• Riferito a figura 4 quando la frequenza di taglio è nella regione 0-fc, diventa essenziale un ingresso di tensione, che sviluppa una potenziale caduta sull'avvolgimento dello statore, e questa caduta di tensione non può essere ignorata e deve essere compensata aumentando la tensione di alimentazione Vs. Ciò indica che in questa regione il profilo del rapporto V / Hz non è una funzione lineare. Possiamo valutare analiticamente la frequenza di taglio fc per opportune tensioni statoriche con l'ausilio del circuito equivalente a regime stazionario avente Rs ≠ 0.
• Nella regione fc-r (nominale) Hz, è in grado di eseguire una relazione Vs / Hz costante, in questo caso la pendenza della relazione indica la quantità del flusso del traferro .
• Nella regione oltre f (nominale), funzionando a frequenze più alte, diventa impossibile eseguire il rapporto Vs / f a regime costante, poiché in questa posizione la tensione dello statore tende a limitarsi al valore f (nominale). Questo avviene per assicurarsi che l'avvolgimento dello statore non sia soggetto a rottura dell'isolamento. A causa di questa situazione, il flusso del traferro risultante tende a essere compromesso e ridotto, portando ad una corrispondente diminuzione della coppia del rotore. Questa fase operativa nei motori a induzione è definita come 'Area di indebolimento del campo' . Per evitare questo tipo di situazione, di solito una regola V / Hz costante non viene rispettata in questi intervalli di frequenza.

A causa della presenza di un flusso magnetico costante dello statore indipendentemente dalla variazione di frequenza nell'avvolgimento di staor, la coppia sul rotore ora deve fare affidamento solo sulla velocità di scorrimento, questo effetto può essere visto nel figura 5 sopra

Con un'adeguata regolazione della velocità di scorrimento, la velocità di un motore a induzione potrebbe essere controllata efficacemente insieme alla coppia sul carico del rotore impiegando un principio V / Hz costante.

Pertanto, sia che si tratti di una modalità di controllo della velocità a circuito aperto o chiuso, entrambe potrebbero essere implementate utilizzando la regola V / Hz costante.

Una modalità di controllo ad anello aperto potrebbe essere impiegata in applicazioni in cui l'accuratezza del controllo della velocità potrebbe non essere un fattore importante, come nelle unità HVAC o ventilatori e ventilatori come apparecchi. In tali casi, la frequenza al carico viene trovata facendo riferimento al livello di velocità richiesto del motore e si prevede che la velocità del rotore segua approssimativamente la velocità sincrona istantanea. Qualsiasi forma di discrepanza nella velocità derivante dallo scorrimento del motore è generalmente ignorata e accettata in tali applicazioni.

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