Grundlegendes zur Skalarsteuerung (U / f) für Induktionsmotoren

In diesem Artikel werden wir versuchen zu verstehen, wie ein Skalarsteuerungsalgorithmus zum Steuern der Induktionsmotordrehzahl mit relativ einfachen Berechnungen implementiert wird, und dennoch eine einigermaßen gute linear variable Drehzahlregelung des Motors zu erreichen.

Berichte aus vielen Top-Marktanalysen zeigen dies Induktionsmotoren sind die beliebtesten, wenn es um die Handhabung von Anwendungen und Arbeiten im Zusammenhang mit schweren Industriemotoren geht. Die Hauptgründe für die Beliebtheit von Induktionsmotoren liegen im Wesentlichen in ihrer hohen Robustheit, der höheren Zuverlässigkeit in Bezug auf Verschleißprobleme und der vergleichsweise hohen Funktionseffizienz.

Induktionsmotoren haben jedoch einen typischen Nachteil, da diese mit herkömmlichen Verfahren nicht einfach zu steuern sind. Die Steuerung von Induktionsmotoren ist aufgrund ihrer recht komplexen mathematischen Konfiguration, die in erster Linie Folgendes umfasst, relativ anspruchsvoll:

• Nichtlineare Reaktion bei Kernsättigung
• Instabilität in Form von Schwingungen aufgrund variierender Wicklungstemperatur.

Aufgrund dieser kritischen Aspekte erfordert die optimale Implementierung der Induktionsmotorsteuerung einen gründlich berechneten Algorithmus mit hoher Zuverlässigkeit, beispielsweise unter Verwendung einer 'Vektorsteuerungs' -Methode und zusätzlich unter Verwendung eines auf Mikrocontrollern basierenden Verarbeitungssystems.

Grundlegendes zur Implementierung der Skalarsteuerung

Es gibt jedoch ein anderes Verfahren, das zum Implementieren einer Induktionsmotorsteuerung unter Verwendung einer viel einfacheren Konfiguration angewendet werden kann, nämlich die Skalarsteuerung, die Nicht-Vektor-Antriebstechniken enthält.

Es ist tatsächlich möglich, einen Wechselstrom-Induktionsmotor in einen stationären Zustand zu versetzen, indem er mit einer einfachen Spannungsrückkopplung und stromgesteuerten Systemen betrieben wird.

Bei dieser Skalarmethode kann die Skalarvariable angepasst werden, sobald ihr richtiger Wert entweder durch praktisches Experimentieren oder durch geeignete Formeln und Berechnungen erreicht ist.

Als nächstes kann diese Messung zur Implementierung der Motorsteuerung über einen offenen Regelkreis oder über eine Topologie mit geschlossenem Rückkopplungskreis verwendet werden.

Obwohl die skalare Steuermethode ein einigermaßen gutes stationäres Ergebnis für den Motor verspricht, entspricht sein Einschwingverhalten möglicherweise nicht der Marke.

Wie Induktionsmotoren funktionieren

Das Wort 'Induktion' in Induktionsmotoren bezieht sich auf die einzigartige Art seines Betriebs, bei der die Magnetisierung des Rotors durch die Statorwicklung zu einem entscheidenden Aspekt des Betriebs wird.

Wenn Wechselstrom über die Statorwicklung angelegt wird, interagiert das oszillierende Magnetfeld der Statorwicklung mit dem Rotoranker und erzeugt ein neues Magnetfeld am Rotor, das wiederum mit dem Statormagnetfeld reagiert und ein hohes Drehmoment am Rotor induziert . Dieses Drehmoment überträgt die erforderliche effektive mechanische Leistung an die Maschine.

Was ist ein 3-Phasen-Käfigläufer-Induktionsmotor?

Es ist die beliebteste Variante von Induktionsmotoren und wird häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt. In einem Käfigläufer-Induktionsmotor trägt der Rotor eine Reihe von stabförmigen Leitern, die die Achse des Rotors umgeben und eine einzigartige käfigartige Struktur und daher den Namen 'Käfig' aufweisen.

Diese Stangen, die in ihrer Form schief sind und rund um die Rotorachse verlaufen, sind an den Enden der Stangen mit dicken und stabilen Metallringen befestigt. Diese Metallringe tragen nicht nur dazu bei, die Stangen fest in Position zu halten, sondern verstärken auch einen wesentlichen elektrischen Kurzschluss über die Stangen.

Wenn die Statorwicklung mit einem sequenzierenden 3-Phasen-Sinuswechselstrom angelegt wird, beginnt sich das resultierende Magnetfeld ebenfalls mit der gleichen Geschwindigkeit wie die 3-Phasen-Stator-Sinusfrequenz (ωs) zu bewegen.

Da die Käfigläufer-Rotoranordnung in der Statorwicklung gehalten wird, reagiert das obige dreiphasige Wechselmagnetfeld von der Statorwicklung mit der Rotoranordnung und induziert ein äquivalentes Magnetfeld an den Stangenleitern der Käfiganordnung.

Dies zwingt ein sekundäres Magnetfeld, sich um die Rotorstangen aufzubauen, und folglich wird dieses neue Magnetfeld gezwungen, mit dem Statorfeld zu interagieren, wodurch ein Rotationsdrehmoment auf den Rotor ausgeübt wird, das versucht, der Richtung des Statormagnetfelds zu folgen.

Dabei versucht die Rotordrehzahl, die Frequenzgeschwindigkeit des Stators zu erreichen, und wenn sie sich der synchronen Magnetfeldgeschwindigkeit des Stators nähert, beginnt die relative Geschwindigkeitsdifferenz e zwischen der Statorfrequenzdrehzahl und der Rotordrehzahl abzunehmen, was zu einer Abnahme des Magneten führt Wechselwirkung des Magnetfelds des Rotors mit dem Magnetfeld des Stators, wodurch schließlich das Drehmoment am Rotor und die äquivalente Ausgangsleistung des Rotors verringert werden.

Dies führt zu einer minimalen Leistung am Rotor, und bei dieser Drehzahl soll der Rotor einen stationären Zustand erreicht haben, bei dem die Belastung des Rotors gleich ist und dem Drehmoment des Rotors entspricht.

Die Arbeitsweise eines Induktionsmotors als Reaktion auf eine Last kann wie folgt zusammengefasst werden:

Da es zwingend erforderlich ist, einen feinen Unterschied zwischen der Drehzahl des Rotors (der Welle) und der Drehzahl des inneren Stators aufrechtzuerhalten, dreht sich die Rotordrehzahl, die die Last tatsächlich handhabt, mit einer geringfügig verringerten Drehzahl als die Drehzahl der Statorfrequenz. Wenn wir dagegen annehmen, dass der Stator mit einer 50-Phasen-3-Phasen-Versorgung betrieben wird, ist die Winkelgeschwindigkeit dieser 50-Hz-Frequenz über die Statorwicklung immer geringfügig höher als die Reaktion in der Rotordrehzahl. Dies wird von Natur aus beibehalten, um ein Optimum sicherzustellen Schalten Sie den Rotor ein.

Was ist ein Schlupf im Induktionsmotor?

Der relative Unterschied zwischen der Winkeldrehzahl des Stators und der ansprechenden Drehzahl des Rotors wird als 'Schlupf' bezeichnet. Der Schlupf muss auch in Situationen vorhanden sein, in denen der Motor mit einer feldorientierten Strategie betrieben wird.

Da die Rotorwelle in Induktionsmotoren für ihre Drehung nicht von einer externen Erregung abhängig ist, kann sie ohne herkömmliche Schleifringe oder Bürsten arbeiten, was praktisch keinen Verschleiß, einen hohen Wirkungsgrad und dennoch eine kostengünstige Wartung gewährleistet.

Der Drehmomentfaktor in diesen Motoren wird durch den Winkel bestimmt, der zwischen den Magnetflüssen des Stators und des Rotors hergestellt wird.

In der folgenden Abbildung sehen wir, dass die Drehzahl des Rotors als Ω zugewiesen wird und die Frequenzen zwischen Stator und Rotor durch den Parameter „s“ oder den Schlupf bestimmt werden, der mit der Formel dargestellt wird:

s = ( ω s - - ω r ) / ω s

Im obigen Ausdruck ist s der 'Schlupf', der die Differenz zwischen der Synchrondrehzahl des Stators und der tatsächlichen Motordrehzahl auf der Rotorwelle zeigt.

Verständnis der Theorie der Skalargeschwindigkeitsregelung

In Induktionsmotorsteuerungskonzepten wo Technische V / Hz angewendet wird, wird die Drehzahlregelung implementiert, indem die Statorspannung in Bezug auf die Frequenz so eingestellt wird, dass der Luftspaltfluss niemals über den erwarteten Bereich des stationären Zustands hinaus abweichen kann, mit anderen Worten, er wird innerhalb dieses geschätzten stationären Zustands gehalten Wert, und daher wird es auch der genannt Skalarsteuerung Methode, da die Technik stark von der stationären Dynamik zur Steuerung der Motordrehzahl abhängt.

Wir können die Funktionsweise dieses Konzepts anhand der folgenden Abbildung verstehen, die das vereinfachte Schema einer Skalarsteuerungstechnik zeigt. In der Konfiguration wird angenommen, dass der Statorwiderstand (Rs) Null ist, während die Statorleckinduktivität (LIs) der Rotorleckage und der Magnetisierungsinduktivität (LIr) eingeprägt ist. Es ist ersichtlich, dass das (LIr), das tatsächlich die Größe des Luftspaltflusses darstellt, vor der gesamten Streuinduktivität (Ll = Lls + Llr) gedrückt wurde.

Aufgrund dessen erhält der durch den Magnetisierungsstrom erzeugte Luftspaltfluss einen ungefähren Wert nahe dem Frequenzverhältnis des Stators. Somit kann der Zeigerausdruck für eine stationäre Bewertung wie folgt geschrieben werden:

Für Induktionsmotoren, die in ihren linearen Magnetbereichen laufen können, ändert sich der Lm nicht und bleibt konstant. In solchen Fällen kann die obige Gleichung ausgedrückt werden als:

Wobei V und Λ die Statorspannungswerte bzw. der Statorfluss sind, während Ṽ den Zeigerparameter in der Konstruktion darstellt.

Der letzte Ausdruck oben erklärt deutlich, dass, solange das U / f-Verhältnis unabhängig von einer Änderung der Eingangsfrequenz (f) konstant gehalten wird, der Fluss ebenfalls konstant bleibt, was es dem Drehmoment ermöglicht, ohne Abhängigkeit von der Versorgungsspannungsfrequenz zu arbeiten . Das heißt, wenn ΛM auf einem konstanten Niveau gehalten wird, würde das Vs / ƒ-Verhältnis auch mit einer konstanten relevanten Geschwindigkeit gerendert. Wenn daher die Drehzahl des Motors erhöht wird, muss daher auch die Spannung an der Statorwicklung proportional erhöht werden, damit ein konstantes Vs / f aufrechterhalten werden kann.

Da hier jedoch der Schlupf die Funktion der am Motor angebrachten Last ist, gibt die Synchrondrehzahl nicht die tatsächliche Drehzahl des Motors wieder.

Wenn kein Lastdrehmoment auf den Rotor ausgeübt wird, kann der resultierende Schlupf vernachlässigbar gering sein, so dass der Motor nahezu synchrone Drehzahlen erreichen kann.

Aus diesem Grund ist eine grundlegende Vs / f- oder V / Hz-Konfiguration normalerweise nicht in der Lage, eine genaue Drehzahlregelung eines Induktionsmotors zu implementieren, wenn der Motor mit einem Lastdrehmoment verbunden ist. Es kann jedoch ziemlich leicht eine Schlupfkompensation zusammen mit der Geschwindigkeitsmessung in das System eingeführt werden.

Die unten angegebene grafische Darstellung zeigt deutlich einen Geschwindigkeitssensor innerhalb eines V / Hz-Systems mit geschlossenem Regelkreis.

In praktischen Implementierungen kann typischerweise das Verhältnis von Statorspannung und Frequenz von der Bewertung dieser Parameter selbst abhängen.

Analysieren der V / Hz-Geschwindigkeitsregelung

Eine Standard-V / Hz-Analyse ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Grundsätzlich finden Sie 3 Geschwindigkeitsauswahlbereiche innerhalb eines V / Hz-Profils, die aus folgenden Punkten verstanden werden können:

• In Bezug auf Figur 4 Wenn die Grenzfrequenz im Bereich 0-fc liegt, wird ein Spannungseingang wesentlich, der einen Potentialabfall über der Statorwicklung entwickelt, und dieser Spannungsabfall kann nicht ignoriert werden und muss durch Erhöhen der Versorgungsspannung Vs kompensiert werden. Dies zeigt an, dass in diesem Bereich das V / Hz-Verhältnisprofil keine lineare Funktion ist. Wir können die Grenzfrequenz fc für geeignete Statorspannungen mit Hilfe des stationären Ersatzschaltbilds mit Rs ≠ 0 analytisch auswerten.
• Im Bereich fc-r (Nenn) Hz kann eine konstante Vs / Hz-Beziehung ausgeführt werden, in diesem Fall bedeutet die Steigung der Beziehung die Menge des Luftspaltflusses .
• In dem Bereich jenseits von f (Nennwert), der bei höheren Frequenzen läuft, wird es unmöglich, das Vs / f-Verhältnis mit konstanter Rate durchzuführen, da in dieser Position die Statorspannung dazu neigt, auf den f (Nennwert) begrenzt zu werden. Dies stellt sicher, dass die Statorwicklung keinem Isolationsausfall ausgesetzt ist. Aufgrund dieser Situation neigt der resultierende Luftspaltfluss dazu, beeinträchtigt und verringert zu werden, was zu einem entsprechend abnehmenden Rotordrehmoment führt. Diese Betriebsphase in Induktionsmotoren wird als bezeichnet 'Feldschwächungsregion' . Um diese Art von Situation zu verhindern, wird in diesen Frequenzbereichen normalerweise keine konstante V / Hz-Regel eingehalten.

Aufgrund des Vorhandenseins eines konstanten Statormagnetflusses unabhängig von der Frequenzänderung in der Staorwicklung muss das Drehmoment am Rotor nur noch von der Schlupfgeschwindigkeit abhängen, dieser Effekt ist in der zu sehen Abbildung 5 über

Mit einer geeigneten Schlupfgeschwindigkeitsregelung könnte die Drehzahl eines Induktionsmotors zusammen mit dem Drehmoment auf die Rotorlast unter Verwendung eines konstanten V / Hz-Prinzips effektiv gesteuert werden.

Unabhängig davon, ob es sich um einen offenen oder einen geschlossenen Regelkreis handelt, könnten beide unter Verwendung der konstanten V / Hz-Regel implementiert werden.

Ein Steuerungsmodus mit offenem Regelkreis kann in Anwendungen eingesetzt werden, in denen die Genauigkeit der Drehzahlregelung möglicherweise kein wichtiger Faktor ist, z. B. in HLK-Einheiten oder Geräten wie Lüfter und Gebläse. In solchen Fällen wird die Frequenz der Last unter Bezugnahme auf das erforderliche Drehzahlniveau des Motors ermittelt, und es wird erwartet, dass die Rotordrehzahl ungefähr der momentanen Synchrondrehzahl folgt. Jede Form von Diskrepanz in der Drehzahl, die sich aus dem Schlupf des Motors ergibt, wird in solchen Anwendungen im Allgemeinen ignoriert und akzeptiert.

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