Comprensió del control escalar (V / f) per a motors d’inducció

En aquest article intentarem entendre com s’implementa l’algoritme de control escalar per controlar la velocitat del motor d’inducció amb càlculs relativament senzills i, no obstant això, aconseguir un control de velocitat linealment raonablement bo del motor.

Els informes de moltes anàlisis de mercat principals ho revelen motors d’inducció són els més populars a l’hora de manejar aplicacions i feines relacionades amb motors industrials pesats. Els motius principals de la popularitat dels motors d’inducció es deuen bàsicament al seu alt grau de robustesa, una major fiabilitat en termes de desgast i una eficiència funcional comparativament elevada.

Dit això, els motors d’inducció tenen un inconvenient típic, ja que no són fàcils de controlar amb mètodes convencionals habituals. El control de motors d’inducció és relativament exigent a causa de la seva configuració matemàtica força complexa, que inclou principalment:

• Resposta no lineal a la saturació del nucli
• Inestabilitat en la forma de les oscil·lacions a causa de la temperatura variable del bobinat.

A causa d'aquests aspectes crítics, implementar el control del motor d'inducció exigeix ​​de forma òptima un algorisme completament calculat amb alta fiabilitat, per exemple mitjançant un mètode de 'control vectorial' i, a més, mitjançant un sistema de processament basat en microcontroladors.

Comprensió de la implementació del control escalar

Tanmateix, existeix un altre mètode que es pot aplicar per implementar el control del motor d’inducció mitjançant una configuració molt més senzilla, és el control escalar que incorpora tècniques d’acció no vectorials.

En realitat, és possible habilitar un motor d’inducció de corrent altern en estat estacionari funcionant amb una retroalimentació de tensió directa i sistemes controlats per corrent.

En aquest mètode escalar, la variable escalar es pot modificar una vegada que s’aconsegueix el seu valor adequat, ja sigui experimentant pràcticament o mitjançant fórmules i càlculs adequats.

A continuació, aquesta mesura es pot utilitzar per implementar el control del motor mitjançant un circuit de bucle obert o mitjançant una topologia de bucle de retroalimentació tancada.

Tot i que el mètode escalar de control promet uns resultats d’equilibri raonablement bons al motor, la seva resposta transitòria pot no estar a l’alçada.

Com funcionen els motors d’inducció

La paraula 'inducció' en motors d'inducció fa referència a la manera única de funcionar en què la magnetització del rotor mitjançant l'enrotllament de l'estator es converteix en un aspecte crucial de l'operació.

Quan s’aplica corrent altern a l’enrotllament de l’estator, el camp magnètic oscil·lant del bobinat de l’estator interactua amb l’armadura del rotor creant un nou camp magnètic al rotor, que al seu torn reacciona amb el camp magnètic de l’estator induint una gran quantitat de parell de rotació al rotor. . Aquest parell de rotació proporciona la potència mecànica efectiva necessària a la màquina.

Què és el motor d’inducció de la gàbia d’esquirol trifàsic

És la variant més popular dels motors d’inducció i s’utilitza àmpliament en aplicacions industrials. En un motor d'inducció de gàbia d'esquirol, el rotor porta una sèrie de conductors de barres que envolten l'eix del rotor, presentant una estructura única com la gàbia i d'aquí el nom de 'gàbia d'esquirol'.

Aquestes barres que tenen una forma esbiaixada i que recorren tot l’eix del rotor s’uneixen amb anells metàl·lics gruixuts i resistents als extrems de les barres. Aquests anells metàl·lics no només ajuden a fixar fortament les barres al seu lloc, sinó que també imposen un curtcircuit elèctric essencial a través de les barres.

Quan l’enrotllament de l’estator s’aplica amb un corrent altern sinusoidal trifàsic de seqüenciació, el camp magnètic resultant també comença a moure’s amb la mateixa velocitat que la freqüència sinusoidal de l’estator de 3 fases (ωs).

Atès que el conjunt del rotor de la gàbia de l’esquirol es manté dins del bobinat de l’estator, el camp magnètic alternatiu de 3 fases anterior del bobinat de l’estator reacciona amb el conjunt del rotor induint un camp magnètic equivalent als conductors de barres del conjunt de la gàbia.

Això obliga a un camp magnètic secundari a acumular-se al voltant de les barres del rotor i, en conseqüència, aquest nou camp magnètic es veu obligat a interactuar amb el camp de l’estator, aplicant un parell de rotació al rotor que intenta seguir la direcció del camp magnètic de l’estator.

En el procés, la velocitat del rotor intenta aconseguir la velocitat de freqüència de l’estator i, a mesura que s’acosta a la velocitat del camp magnètic síncron de l’estator, la diferència relativa de velocitat e entre la velocitat de freqüència de l’estator i la velocitat de rotació del rotor comença a disminuir, cosa que provoca una disminució de la magnètica interacció del camp magnètic del rotor sobre el camp magnètic de l'estator, amb la qual cosa disminueix el parell del rotor i la potència de sortida equivalent del rotor.

Això condueix a una potència mínima al rotor i, a aquesta velocitat, es diu que el rotor ha adquirit un estat estacionari, on la càrrega del rotor és equivalent i coincideix amb el parell del rotor.

El funcionament d'un motor d'inducció en resposta a una càrrega es pot resumir tal com s'explica a continuació:

Com que es fa obligatori mantenir una fina diferència entre la velocitat del rotor (eix) i la velocitat interna de la freqüència de l’estator, la velocitat del rotor que realment maneja la càrrega gira a una velocitat lleugerament reduïda que la velocitat de la freqüència de l’estator. Per contra, si suposem que l’estator s’aplica amb una alimentació trifàsica de 50Hz, la velocitat angular d’aquesta freqüència de 50Hz a través del bobinatge de l’estator serà sempre lleugerament superior a la resposta en la velocitat de rotació del rotor, això es manté intrínsecament per garantir un òptim alimentació del rotor.

Què és el motor d’inducció Slip in

La diferència relativa entre la velocitat angular de freqüència de l’estator i la velocitat de rotació sensible del rotor s’anomena “lliscament”. El lliscament ha d’estar present fins i tot en situacions en què el motor funciona amb una estratègia orientada al camp.

Atès que l’eix del rotor dels motors d’inducció no depèn de cap excitació externa per a la seva rotació, pot funcionar sense anells de relliscament convencionals ni raspalls que garanteixin pràcticament zero desgast, alta eficiència i, tot i això, econòmic amb el seu manteniment.

El factor de parell d’aquests motors està determinat per l’angle establert entre els fluxos magnètics de l’estator i el rotor.

Veient el diagrama següent, podem veure que la velocitat del rotor s’assigna com a Ω, i les freqüències entre l’estator i el rotor estan determinades pel paràmetre “s” o el lliscament, presentat amb la fórmula:

s = ( ω s - ω r ) / ω s

A l’expressió anterior, s és el “lliscament” que mostra la diferència entre la velocitat de freqüència síncrona de l’estator i la velocitat real del motor desenvolupada a l’eix del rotor.

Comprensió de la teoria del control de velocitat escalar

En conceptes de control del motor d’inducció on V / Hz tècnic s’utilitza, el control de velocitat s’implementa ajustant la tensió de l’estator respecte a la freqüència de manera que el flux de bretxa d’aire mai no pugui desviar-se més enllà del rang esperat de l’estat estacionari, és a dir, es manté dins d’aquest estat estacionari estimat valor i, per tant, també se l'anomena control escalar mètode, ja que la tècnica depèn en gran mesura de la dinàmica d'estat estacionari per controlar la velocitat del motor.

Podem entendre el funcionament d’aquest concepte fent referència a la figura següent, que mostra l’esquema simplificat d’una tècnica de control escalar. En la configuració s’assumeix que la resistència de l’estator (Rs) és nul·la, mentre que la inductància de fuites de l’estator (LIs) s’impressiona sobre la fuita del rotor i la inductància de magnetització (LIr). El (LIr) que realment representa la magnitud del flux de bretxa d’aire es pot veure empès abans de la inductància total de fuites (Ll = Lls + Llr).

A causa d’això, el flux d’espai d’aire creat pel corrent d’imantació obté un valor aproximat proper a la relació de freqüència de l’estator. Així, l'expressió fasorial per a una avaluació d'estat estacionari es pot escriure de la següent manera:

Per als motors d’inducció que poden funcionar a les seves regions magnètiques lineals, el Lm no canviarà i es mantindrà constant, en aquests casos l’equació anterior es pot expressar com:

On V i Λ són els valors de la tensió de l’estator i el flux de l’estator respectivament, mentre que Ṽ representa el paràmetre fasorial en el disseny.

L’última expressió anterior explica clarament que, sempre que la relació V / f es mantingui constant independentment de qualsevol canvi en la freqüència d’entrada (f), el flux també es manté constant, cosa que permet que el toc funcioni sense dependre de la freqüència de la tensió d’alimentació. . Això implica que si es manté ΛM a un nivell constant, la relació Vs / ƒ també es representaria a una velocitat rellevant constant. Per tant, sempre que s’incrementi la velocitat del motor, també caldrà augmentar la tensió a través del bobinatge de l’estator, de manera que es pugui mantenir una constant Vs / f.

Tanmateix, aquí la relliscada és la funció de la càrrega unida al motor, la velocitat de freqüència síncrona no representa la velocitat real del motor.

En absència d'un parell de càrrega al rotor, el lliscament resultant pot ser insignificantment petit, cosa que permet al motor assolir prop de velocitats síncrones.

És per això que una configuració bàsica Vs / f o V / Hz normalment no pot tenir la capacitat d'implementar un control de velocitat precís d'un motor d'inducció quan el motor està connectat amb un parell de càrrega. Tanmateix, es pot introduir al sistema una compensació de lliscament amb la mesura de la velocitat.

La representació gràfica que s’indica a continuació mostra clarament un sensor de velocitat dins d’un sistema de bucle tancat V / Hz.

En implementacions pràctiques, normalment la proporció de tensió i freqüència de l’estator pot dependre de la pròpia qualificació d’aquests paràmetres.

Analitzant el control de velocitat V / Hz

A la figura següent es pot veure una anàlisi estàndard de V / Hz.

Bàsicament, trobareu tres rangs de selecció de velocitat dins d’un perfil de V / Hz, que es poden entendre a partir dels punts següents:

• Referint-se a figura 4 quan la freqüència de tall es troba a la regió 0-fc, es fa imprescindible una entrada de tensió, que desenvolupa una caiguda potencial a través del bobinatge de l’estator, i aquesta caiguda de tensió no es pot ignorar i cal compensar-la augmentant la tensió d’alimentació vs. Això indica que en aquesta regió el perfil de relació V / Hz no és una funció lineal. Podem avaluar analíticament la freqüència de tall fc per a tensions d’estator adequades amb l’ajuda del circuit equivalent en estat estacionari que tingui Rs ≠ 0.
• A la regió fc-r (nominal) Hz, és capaç d’executar una relació Vs / Hz constant, en aquest cas el pendent de la relació significa la quantitat del flux de bretxa aèria .
• A la regió més enllà de f (nominal), que funciona a freqüències més altes, es fa impossible realitzar la relació Vs / f a velocitat constant, ja que en aquesta posició la tensió de l’estator tendeix a restringir-se al valor f (nominal). Això passa per assegurar-se que el bobinatge de l’estator no estigui sotmès a una avaria d’aïllament. A causa d’aquesta situació, el flux d’espai d’aire resultant tendeix a comprometre’s i reduir-se, cosa que provoca una disminució del parell del rotor corresponent. Aquesta fase operativa en motors d'inducció s'anomena ' 'Regió que debilita el camp' . Per evitar aquest tipus de situacions, normalment no es compleix una regla constant de V / Hz en aquests rangs de freqüència.

A causa de la presència d’un flux magnètic constant d’estator independentment del canvi de freqüència en el bobinatge staor, el toc del rotor ara només ha de dependre de la velocitat de lliscament, aquest efecte es pot veure a la figura 5 a sobre

Amb una regulació adequada de la velocitat de lliscament, la velocitat d’un motor d’inducció es podria controlar eficaçment juntament amb el parell de càrrega del rotor mitjançant un principi de V / Hz constant.

Per tant, tant si es tracta d’un mode de control de velocitat obert o tancat, tots dos es podrien implementar mitjançant la regla de V / Hz constant.

Es podria emprar un mode de control de bucle obert en aplicacions on la precisió del control de velocitat pot no ser un factor important, com per exemple en unitats HVAC, o en aparells com el ventilador i el ventilador. En aquests casos, la freqüència de càrrega es troba referint-se al nivell de velocitat requerit del motor, i s’espera que la velocitat del rotor segueixi aproximadament la velocitat síncrona instantània. Qualsevol forma de discrepància en la velocitat derivada de la relliscada del motor és generalment ignorada i acceptada en aquestes aplicacions.

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