Hiểu điều khiển vô hướng (V / f) cho động cơ cảm ứng

Trong bài viết này, chúng ta sẽ cố gắng tìm hiểu cách thực hiện thuật toán điều khiển vô hướng để điều khiển tốc độ động cơ cảm ứng với các tính toán tương đối đơn giản nhưng vẫn đạt được điều khiển tốc độ biến đổi tuyến tính hợp lý của động cơ.

Các báo cáo từ nhiều phân tích thị trường hàng đầu tiết lộ rằng động cơ cảm ứng phổ biến nhất khi nói đến xử lý các ứng dụng và công việc liên quan đến động cơ công nghiệp nặng. Lý do chính đằng sau sự phổ biến của động cơ cảm ứng về cơ bản là do mức độ mạnh mẽ của nó, độ tin cậy cao hơn về các vấn đề hao mòn và hiệu quả chức năng tương đối cao.

Điều đó nói rằng, động cơ cảm ứng có một nhược điểm điển hình, vì chúng không dễ điều khiển bằng các phương pháp thông thường thông thường. Việc điều khiển động cơ cảm ứng tương đối khắt khe do cấu hình toán học khá phức tạp của nó, chủ yếu bao gồm:

• Phản hồi phi tuyến tính ở độ bão hòa lõi
• Sự không ổn định trong các dạng dao động do nhiệt độ thay đổi của cuộn dây.

Do những khía cạnh quan trọng này, việc thực hiện điều khiển động cơ cảm ứng một cách tối ưu đòi hỏi một thuật toán được tính toán kỹ lưỡng với độ tin cậy cao, ví dụ như sử dụng phương pháp “điều khiển véc tơ” và sử dụng thêm hệ thống xử lý dựa trên vi điều khiển.

Hiểu triển khai kiểm soát vô hướng

Tuy nhiên, có một phương pháp khác có thể được áp dụng để thực hiện điều khiển động cơ cảm ứng bằng cách sử dụng một cấu hình dễ dàng hơn nhiều, đó là điều khiển vô hướng kết hợp các kỹ thuật truyền động không vectơ.

Thực tế có thể cho phép động cơ cảm ứng xoay chiều ở trạng thái ổn định bằng cách vận hành nó với phản hồi điện áp đơn giản và hệ thống điều khiển dòng điện.

Trong phương pháp vô hướng này, biến vô hướng có thể được tinh chỉnh khi đạt được giá trị đúng của nó bằng cách thử nghiệm thực tế hoặc thông qua các công thức và tính toán phù hợp.

Tiếp theo, phép đo này có thể được sử dụng để thực hiện điều khiển động cơ qua mạch vòng hở hoặc thông qua cấu trúc liên kết vòng phản hồi kín.

Mặc dù phương pháp điều khiển vô hướng hứa hẹn một kết quả ở trạng thái ổn định khá tốt trên động cơ, nhưng phản ứng nhất thời của nó có thể không đạt đến mức.

Cách động cơ cảm ứng hoạt động

Từ 'cảm ứng' trong động cơ cảm ứng đề cập đến cách hoạt động độc đáo của nó, trong đó từ hóa rôto bằng cuộn dây stato trở thành một khía cạnh quan trọng của hoạt động.

Khi đặt điện xoay chiều qua cuộn dây stato, từ trường dao động từ dây quấn stato tương tác với phần ứng của rôto tạo ra từ trường mới trên rôto, từ trường này sẽ phản ứng với từ trường stato tạo ra một lượng lớn mômen quay trên rôto . Mômen quay này cung cấp công suất cơ hiệu dụng cần thiết cho máy.

Động cơ cảm ứng lồng sóc 3 pha là gì

Nó là biến thể phổ biến nhất của động cơ cảm ứng và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Trong động cơ cảm ứng lồng sóc, rôto mang một loạt các thanh giống như dây dẫn bao quanh trục của rôto, tạo ra một cấu trúc giống như một cái lồng độc đáo và do đó có tên là 'lồng sóc'.

Các thanh này có hình dạng lệch và chạy quanh trục của rôto được gắn các vòng kim loại dày và chắc chắn ở đầu các thanh. Các vòng kim loại này không chỉ giúp cố định các thanh chắc chắn tại chỗ mà còn ngăn chặn sự cố chập điện thiết yếu trên các thanh.

Khi đặt cuộn dây stato với dòng điện xoay chiều hình sin 3 pha nối tiếp, từ trường tạo thành cũng bắt đầu chuyển động với cùng tốc độ với tần số sin 3 pha (ωs).

Vì cụm rôto lồng sóc được giữ trong cuộn dây stato nên từ trường xoay chiều 3 pha ở trên từ cuộn dây stato phản ứng với cụm rôto tạo ra từ trường tương đương trên thanh dẫn của cụm lồng.

Điều này buộc một từ trường thứ cấp hình thành xung quanh các thanh rôto, và do đó, từ trường mới này buộc phải tương tác với từ trường stato, tạo ra một mômen quay trên rôto cố gắng theo hướng của từ trường stato.

Trong quá trình này, tốc độ rôto cố gắng đạt được tốc độ tần số của stato và khi nó tiến tới tốc độ từ trường đồng bộ của stato, sự khác biệt tốc độ tương đối e giữa tốc độ tần số stato và tốc độ quay rôto bắt đầu giảm, điều này làm giảm từ trường. tương tác của từ trường của rôto với từ trường của stato, cuối cùng làm giảm mômen xoắn trên rôto và công suất phát tương đương của rôto.

Điều này dẫn đến công suất tối thiểu trên rôto và ở tốc độ này, rôto được cho là đã đạt được trạng thái ổn định, ở đó tải trên rôto là tương đương và phù hợp với mômen xoắn trên rôto.

Hoạt động của động cơ cảm ứng khi đáp ứng với tải có thể được tóm tắt như được giải thích dưới đây:

Vì bắt buộc phải duy trì sự khác biệt nhỏ giữa tốc độ rôto (trục) và tốc độ tần số bên trong stato, tốc độ rôto thực sự xử lý tải, quay với tốc độ giảm một chút so với tốc độ tần số stato. Ngược lại, nếu chúng ta giả sử stato được cấp nguồn 3 pha 50Hz, thì tốc độ góc của tần số 50Hz này trên cuộn dây stato sẽ luôn cao hơn một chút so với đáp ứng trong tốc độ quay của rôto, điều này vốn được duy trì để đảm bảo tối ưu công suất trên rôto.

Trượt trong động cơ cảm ứng là gì

Sự khác biệt tương đối giữa tần số tốc độ góc của stato và tốc độ quay đáp ứng của rôto được gọi là 'độ trượt'. Vết trượt cần phải hiện diện ngay cả trong các tình huống mà động cơ được vận hành với chiến lược hướng vào trường.

Vì trục rôto trong động cơ cảm ứng không phụ thuộc vào bất kỳ kích thích bên ngoài nào đối với chuyển động quay của nó, nên nó có thể hoạt động mà không có vòng trượt hoặc chổi than thông thường, đảm bảo hầu như không bị mài mòn, hiệu quả cao và không tốn kém khi bảo trì.

Hệ số mômen trong các động cơ này được xác định bởi góc xác lập giữa các từ thông của stato và rôto.

Nhìn vào biểu đồ bên dưới, chúng ta có thể thấy rằng tốc độ của rôto được gán là Ω, và các tần số trên stato và rôto được xác định bằng tham số “s” hoặc độ trượt, được trình bày theo công thức:

s = ( ω S - ω r ) / ω S

Trong biểu thức trên, s là 'độ trượt' thể hiện sự khác biệt giữa tốc độ tần số đồng bộ của stato và tốc độ động cơ thực tế được phát triển trên trục rôto.

Hiểu lý thuyết điều khiển tốc độ vô hướng

Trong khái niệm điều khiển động cơ cảm ứng, nơi V / Hz kỹ thuật được sử dụng, điều khiển tốc độ được thực hiện bằng cách điều chỉnh điện áp stato đối với tần số sao cho thông lượng khe hở không khí không bao giờ có thể lệch ra ngoài phạm vi mong đợi của trạng thái ổn định, nói cách khác, nó được duy trì trong trạng thái ổn định ước tính này giá trị và do đó nó còn được gọi là kiểm soát vô hướng vì kỹ thuật phụ thuộc nhiều vào động lực học ở trạng thái ổn định để điều khiển tốc độ động cơ.

Chúng ta có thể hiểu cách hoạt động của khái niệm này bằng cách tham khảo hình sau, cho thấy sơ đồ đơn giản của kỹ thuật điều khiển vô hướng. Trong thiết lập, giả định rằng điện trở của stato (Rs) bằng 0, trong khi Điện cảm rò rỉ của stato (LIs) gây ấn tượng khi rò rỉ rôto và điện cảm từ hóa (LIr). (LIr) thực sự mô tả độ lớn của thông lượng khe hở không khí có thể được nhìn thấy đã bị đẩy trước khi tổng điện cảm rò rỉ (Ll = Lls + Llr).

Do đó, thông lượng khe hở không khí do dòng điện từ hóa tạo ra có giá trị gần đúng với tỷ số tần số của stato. Do đó, biểu thức phasor cho đánh giá trạng thái ổn định có thể được viết như sau:

Đối với động cơ cảm ứng có thể đang chạy ở vùng từ tính tuyến tính của chúng, Lm sẽ không thay đổi và không đổi, trong những trường hợp như vậy, phương trình trên có thể được biểu thị như sau:

Trong đó V và Λ lần lượt là giá trị điện áp stato và từ thông stato, trong khi Ṽ đại diện cho tham số phasor trong thiết kế.

Biểu thức cuối cùng ở trên giải thích rõ ràng rằng miễn là tỷ lệ V / f được giữ không đổi bất kể bất kỳ sự thay đổi nào trong tần số đầu vào (f), thì từ thông cũng không đổi, cho phép toque hoạt động mà không phụ thuộc vào tần số điện áp cung cấp . Điều đó có nghĩa là nếu ΛM được duy trì ở mức không đổi, tỷ lệ Vs / ƒ cũng sẽ được hiển thị ở một tốc độ liên quan không đổi. Do đó, bất cứ khi nào tốc độ của động cơ được tăng lên, điện áp trên cuộn dây stato cũng sẽ cần phải tăng lên một cách tương ứng, để có thể duy trì Vs / f không đổi.

Tuy nhiên ở đây độ trượt là hàm của tải gắn vào động cơ, tốc độ tần số đồng bộ không mô tả tốc độ thực của động cơ.

Trong trường hợp không có mômen tải trên rôto, độ trượt kết quả có thể nhỏ đáng kể, cho phép động cơ đạt được tốc độ gần với tốc độ đồng bộ.

Đó là lý do tại sao cấu hình Vs / f hoặc V / Hz cơ bản thường có thể không có khả năng thực hiện điều khiển tốc độ chính xác của động cơ cảm ứng khi động cơ được gắn với mômen tải. Tuy nhiên, một phần bù trượt có thể khá dễ dàng được đưa vào hệ thống cùng với phép đo tốc độ.

Hình minh họa dưới đây mô tả rõ ràng cảm biến tốc độ trong hệ thống V / Hz vòng kín.

Trong triển khai thực tế, thông thường, tỷ lệ điện áp và tần số stato có thể phụ thuộc vào định mức của chính các thông số này.

Phân tích điều khiển tốc độ V / Hz

Phân tích V / Hz tiêu chuẩn có thể được chứng kiến ​​trong hình sau.

Về cơ bản, bạn sẽ tìm thấy 3 phạm vi lựa chọn tốc độ trong cấu hình V / Hz, có thể hiểu được từ các điểm sau:

• Đề cập đến hinh 4 khi tần số cắt ở vùng 0-fc, đầu vào điện áp trở nên thiết yếu, làm phát sinh sụt áp trên cuộn dây stato, và sụt áp này không thể bỏ qua và cần được bù bằng cách tăng điện áp nguồn Vs. Điều này chỉ ra rằng trong vùng này, cấu hình tỷ lệ V / Hz không phải là một hàm tuyến tính. Chúng ta có thể đánh giá phân tích tần số cắt fc cho các điện áp stato thích hợp với sự trợ giúp của mạch tương đương trạng thái ổn định có Rs ≠ 0.
• Trong vùng fc-r (định mức) Hz, nó có thể thực hiện mối quan hệ Vs / Hz không đổi, trong trường hợp này, độ dốc của mối quan hệ biểu thị lượng thông lượng khe hở không khí .
• Tại vùng vượt quá f (danh định), chạy ở tần số cao hơn, không thể thực hiện tỷ số Vs / f ở tốc độ không đổi, vì ở vị trí này, điện áp stato có xu hướng bị hạn chế ở giá trị f (danh định). Điều này xảy ra để đảm bảo rằng cuộn dây stato không bị đánh thủng cách điện. Do tình huống này, thông lượng khe hở không khí dẫn đến có xu hướng bị tổn hại và giảm, dẫn đến mô-men xoắn rôto giảm tương ứng. Giai đoạn hoạt động này trong động cơ cảm ứng được gọi là 'Vùng bãi biển' . Để ngăn chặn tình huống này, thường quy tắc V / Hz không đổi không được tuân theo trong các dải tần số này.

Do sự hiện diện của một từ thông stato không đổi bất kể tần số thay đổi trong cuộn dây staor, tiếng kêu trên rôto bây giờ chỉ dựa vào tốc độ trượt, hiệu ứng này có thể được nhìn thấy trong hình 5 ở trên

Với việc điều chỉnh tốc độ trượt thích hợp, tốc độ của động cơ cảm ứng có thể được điều khiển một cách hiệu quả cùng với mô-men xoắn trên tải của rôto bằng cách sử dụng nguyên tắc V / Hz không đổi.

Do đó, cho dù đó là chế độ điều khiển tốc độ mở hay vòng kín, cả hai đều có thể được thực hiện bằng cách sử dụng quy tắc V / Hz không đổi.

Chế độ điều khiển vòng hở có thể được sử dụng trong các ứng dụng mà độ chính xác của điều khiển tốc độ có thể không phải là một yếu tố quan trọng, chẳng hạn như trong các thiết bị HVAC, hoặc quạt và quạt gió như các thiết bị. Trong những trường hợp như vậy, tần số của tải được tìm thấy bằng cách tham chiếu đến mức tốc độ yêu cầu của động cơ và tốc độ rôto dự kiến ​​sẽ xấp xỉ theo tốc độ đồng bộ tức thời. Bất kỳ dạng sai lệch nào về tốc độ phát sinh do trượt của động cơ thường được bỏ qua và chấp nhận trong các ứng dụng như vậy.

Tham khảo: http://www.ti.com/lit/an/sprabq8/sprabq8.pdf