הבנת בקרת סקלר (V / f) למנועי אינדוקציה

במאמר זה ננסה להבין כיצד מיושם אלגוריתם בקרת סקלר לשליטה על מהירות מנוע אינדוקציה באמצעות חישובים פשוטים יחסית, ובכל זאת להשיג בקרת מהירות משתנה באופן לינארי באופן סביר של המנוע.

דיווחים מניתוחי שוק מובילים רבים חושפים זאת מנועי אינדוקציה הם הפופולריים ביותר בכל הקשור לטיפול ביישומים ועבודות הקשורות למנוע תעשייתי כבד. הסיבות העיקריות מאחורי הפופולריות של מנועי האינדוקציה נובעות בעיקר ממידת החוסן הגבוהה שלה, מהימנות רבה יותר מבחינת בעיות בלאי ויעילות תפקודית גבוהה יחסית.

עם זאת, למנועי אינדוקציה יש חסרון טיפוסי אחד, מכיוון שאינם קלים לשליטה בשיטות רגילות רגילות. שליטת מנועי אינדוקציה היא תובענית יחסית בשל תצורתה המתמטית המורכבת למדי, הכוללת בעיקר:

• תגובה לא לינארית ברוויית הליבה
• חוסר יציבות בתנודות בצורה עקב טמפרטורה משתנה של המתפתל.

בשל היבטים קריטיים אלה יישום בקרת מנוע אינדוקציה דורש באופן אופטימלי אלגוריתם מחושב ביסודיות עם אמינות גבוהה, למשל באמצעות שיטת 'בקרת וקטור', ובנוסף באמצעות מערכת עיבוד מבוססת מיקרו-בקר.

הבנת יישום בקרת סקלר

עם זאת קיימת שיטה אחרת שניתן ליישם ליישום בקרת מנוע אינדוקציה תוך שימוש בתצורה קלה בהרבה, היא בקרת הסקלר הכוללת טכניקות כונן לא וקטוריות.

למעשה ניתן לאפשר מנוע אינדוקציה AC למצב יציב על ידי הפעלה באמצעות משוב מתח פשוט ומערכות מבוקרות זרם.

בשיטה סקלרית זו, ניתן לשנות את המשתנה הסקלרי ברגע שמושג ערכו הנכון באמצעות ניסוי מעשי או באמצעות נוסחאות וחישובים מתאימים.

לאחר מכן, ניתן להשתמש במדידה זו ליישום בקרת מנוע באמצעות מעגל לולאה פתוחה או באמצעות טופולוגיית לולאת משוב סגורה.

למרות ששיטת הבקרה הסקלרית מבטיחה תוצאות יציבות טובות למדי על המנוע, ייתכן שתגובתו החולפת אינה עומדת בסימן.

איך עובדים מנועי אינדוקציה

המילה 'אינדוקציה' במנועי אינדוקציה מתייחסת לדרך הייחודית של פעולתו שבה מגנטציה של הרוטור על ידי סלילת הסטטור הופכת להיבט מכריע של הפעולה.

כאשר AC מוחל על פני סלילת הסטטור, השדה המגנטי המתנודד ממתפתל הסטטור מתקשר עם אבזור הרוטור ויוצר שדה מגנטי חדש על הרוטור, אשר בתורו מגיב עם השדה המגנטי של הסטטור המביא לכמות גבוהה של מומנט סיבוב על הרוטור. . מומנט סיבוב זה הופך את התפוקה המכנית היעילה הנדרשת למכונה.

מהו מנוע אינדוקציה לכלובי סנאי תלת-פאזי

זהו הגרסה הפופולארית ביותר של מנועי אינדוקציה ומשמש בהרחבה ביישומים תעשייתיים. במנוע אינדוקציה של כלובי סנאי, הרוטור נושא סדרה של מוטות כמו מוליכים המקיפים את ציר הרוטור המציג כלוב ייחודי כמו מבנה ומכאן השם 'כלוב סנאי'.

סורגים אלה המוטים בצורתם ועוברים סביב ציר הרוטור מחוברים בטבעות מתכת עבות וחזקות בקצות הסורגים. טבעות מתכת אלה לא רק עוזרות לאבטח את הסורגים בצורה חזקה במקום, אלא גם אוכפות קצר חשמלי חשמלי על פני הסורגים.

כאשר סליל הסטטור מוחל באמצעות זרם חילופין סינוסי 3-פאזי רצף, השדה המגנטי המתקבל מתחיל לנוע באותה מהירות כמו תדר הסינוס הסטאטור 3 פאזה (ωs).

מכיוון שמכלול הרוטור של כלוב הסנאי מוחזק בתוך סלילת הסטטור, השדה המגנטי 3-פאזה המתחלף לעיל ממתפתל הסטטור מגיב כאשר מכלול הרוטור גורם לשדה מגנטי שווה ערך על מוליכי הבר של מכלול הכלוב.

זה מכריח שדה מגנטי משני להצטבר סביב מוטות הרוטור, וכתוצאה מכך השדה המגנטי החדש הזה נאלץ לתקשר עם שדה הסטטור, ואכוף מומנט סיבובי על הרוטור המנסה לעקוב אחר כיוון השדה המגנטי של הסטטור.

בתהליך מהירות הרוטור מנסה להשיג את מהירות התדר של הסטטור, וכשהוא מתקרב למהירות השדה הסינכרוני הסטטורי, ההפרש המהיר היחסי e בין מהירות תדר הסטטור למהירות הסיבוב של הרוטור מתחיל לרדת, מה שגורם לירידה במגנטית אינטראקציה של השדה המגנטי של הרוטור מעל השדה המגנטי של הסטטור, ובסופו של דבר מקטינה את מומנט הרוטור ואת תפוקת הכוח המקבילה של הרוטור.

זה מוביל לעוצמה מינימלית על הרוטור ובמהירות זו נאמר כי הרוטור קיבל מצב יציב, כאשר העומס על הרוטור שווה ערך ותואם את המומנט על הרוטור.

ניתן לסכם את עבודתו של מנוע אינדוקציה בתגובה לעומס כמוסבר להלן:

מכיוון שזה הופך להיות חובה לשמור על הבדל דק בין מהירות הרוטור (פיר) למהירות תדר הסטטור הפנימי, מהירות הרוטור המטפלת בפועל בעומס, מסתובבת במהירות מופחתת מעט ממהירות תדר הסטטור. לעומת זאת, אם אנו מניחים שהסטטור מוחל עם אספקת שלב של 50 הרץ, אז המהירות הזוויתית של תדר 50 הרץ זה על פני סלילת הסטטור תהיה תמיד מעט גבוהה יותר מהתגובה במהירות הסיבוב של הרוטור, הדבר נשמר מטבעו על מנת להבטיח אופטימלי כוח על הרוטור.

מה זה החלקה במנוע אינדוקציה

ההבדל היחסי בין מהירות התדירות הזוויתית של הסטטור למהירות הסיבוב המגיבה של הרוטור מכונה 'החלקה'. ההחלקה צריכה להיות נוכחת גם במצבים בהם המנוע מופעל באסטרטגיה מכוונת שדה.

מכיוון שציר הרוטור במנועי האינדוקציה אינו תלוי בכל עירור חיצוני לסיבובו, הוא יכול לעבוד ללא טבעות החלקה או מברשות קונבנציונאליות שמבטיחות אפס בלאי, יעילות גבוהה ועם זאת לא יקרה בתחזוקתו.

גורם המומנט במנועים אלה נקבע על ידי הזווית שנקבעה בין השטף המגנטי של הסטטור לרוטור.

בהתבוננות בתרשים למטה נוכל לראות שמהירות הרוטור מוקצית כ- Ω, והתדרים על פני הסטאטור והרוטור נקבעים על ידי הפרמטר 's' או החלקה, המוצגת עם הנוסחה:

s = ( ω ס - ω ר ) / ω ס

בביטוי לעיל, s הוא 'החלקה' המציג את ההבדל בין מהירות התדר הסינכרוני של הסטטור למהירות המנוע בפועל שפותחה על ציר הרוטור.

הבנת תיאוריית בקרת המהירות הסקלרית

במושגי בקרת מנוע אינדוקציה היכן טכני V / Hz נעשה שימוש, בקרת המהירות מיושמת על ידי התאמת מתח הסטאטור ביחס לתדר כך שטף פער האוויר לעולם אינו מסוגל לחרוג מעבר לטווח הצפוי של מצב יציב, במילים אחרות הוא נשמר במצב יציב משוער זה. ערך, ומכאן הוא נקרא גם בקרת סקלר שיטה שכן הטכניקה תלויה במידה רבה בדינמיקה במצב יציב לשליטה במהירות המנוע.

אנו יכולים להבין את פעולתו של מושג זה על ידי התייחסות לדמות הבאה, המציגה את התוכנית הפשוטה של ​​טכניקת בקרת סקלר. במערך ההנחה היא כי התנגדות הסטטור (Rs) היא אפס, ואילו השראות דליפת הסטטור (LI) הרשימה את דליפת הרוטור ואת השראות המגנטיות (LIr). ניתן לראות את ה- (LIr) המתאר למעשה את גודל שטף פער האוויר שנדחק לפני השראת הדליפה הכוללת (Ll = Lls + Llr).

בשל כך, שטף פער האוויר שנוצר על ידי הזרם הממגנט מקבל ערך משוער קרוב ליחס התדרים של הסטטור. לפיכך ניתן לכתוב את ביטוי הפאזור להערכת מצב יציב באופן הבא:

עבור מנועי אינדוקציה שעשויים לפעול באזורים המגנטיים הליניאריים שלהם, ה- Lm לא ישתנה וישאר קבוע, במקרים כאלה המשוואה הנ'ל עשויה לבוא לידי ביטוי כ:

כאשר V ו- Λ הם ערכי מתח הסטטור ושטף הסטטור בהתאמה, ואילו Ṽ מייצג את פרמטר הפאזור בתכנון.

הביטוי האחרון לעיל מסביר בבירור כי כל עוד יחס V / f מוחזק קבוע ללא קשר לשינוי בתדר הקלט (f), אז גם השטף נשאר קבוע, מה שמאפשר את פעולת הטואק ללא תלות בתדר מתח האספקה. . זה מרמז שאם ΛM נשמר ברמה קבועה, יחס ה- Vs / ƒ יינתן גם במהירות רלוונטית קבועה. לכן בכל פעם שמהירות המנוע מוגברת, יהיה צורך להגדיל באופן יחסי את המתח על פני סלילת הסטטור, כך שניתן יהיה לשמור על Vs / f קבוע.

אולם כאן החלקה היא פונקציית העומס המחובר למנוע, מהירות התדר הסינכרוני אינה מתארת ​​את המהירות האמיתית של המנוע.

בהיעדר מומנט עומס על הרוטור, החלקה המתקבלת עשויה להיות קטנה מבחינה זניחה, ומאפשרת למנוע להגיע למהירויות סינכרוניות.

זו הסיבה שלתצורה בסיסית של Vs / f או של תצורת V / Hz לרוב אין יכולת ליישם בקרת מהירות מדויקת של מנוע אינדוקציה כאשר המנוע מחובר עם מומנט עומס. עם זאת ניתן להכניס למערכת פיצוי החלקה די בקלות יחד עם מדידת מהירות.

הייצוג הגרפי המצוין למטה מתאר בבירור חיישן מהירות בתוך מערכת V / Hz של לולאה סגורה.

ביישומים מעשיים, בדרך כלל היחס בין מתח הסטטור לתדר עשוי להיות תלוי בדירוג הפרמטרים הללו עצמו.

ניתוח בקרת מהירות V / Hz

ניתן לראות ניתוח סטנדרטי של V / Hz באיור הבא.

ביסודו של דבר תמצאו 3 טווחי בחירה מהירים בפרופיל V / Hz, שניתן להבין מהנקודות הבאות:

• בהתייחסו ל איור 4 כאשר תדר הניתוק נמצא באזור 0-fc, קלט מתח הופך להיות חיוני, המפתח ירידה פוטנציאלית על פני סלילת הסטטור, ולא ניתן להתעלם מנפילת מתח זו ודורשת פיצוי על ידי הגדלת מתח האספקה ​​Vs. זה מצביע על כך שבאזור זה פרופיל היחס V / Hz אינו פונקציה לינארית. אנו יכולים להעריך אנליטית את תדר הניתוק fc עבור מתחי סטטור מתאימים בעזרת המעגל המקביל למצב יציב בעל Rs ≠ 0.
• באזור fc-r (מדורג) הרץ, הוא מסוגל לבצע יחסי Vs / הרץ קבועים, במקרה זה שיפוע הקשר מסמל את כמות שטף פער האוויר .
• באזור שמעבר ל- f (מדורג), הפועל בתדרים גבוהים יותר, לא ניתן לבצע את היחס Vs / f בקצב קבוע, מכיוון שבמצב זה מתח הסטאטור נוטה להיות מוגבל בערך f (מדורג). זה קורה בכדי לוודא כי סלילת הסטטור אינה נתונה לקלקול בידוד. עקב מצב זה, שטף פער האוויר שנוצר נוטה להתפשר ולהצטמצם, מה שמוביל למומנט הרוטור בהתאמה. שלב תפעולי זה במנועי אינדוקציה מכונה 'אזור החלשת שדה' . כדי למנוע סוג זה של מצב, בדרך כלל לא מקפידים על כלל V / Hz קבוע בטווחי התדרים הללו.

בשל נוכחותו של שטף מגנטי קבוע ללא קשר לשינוי התדרים במסלול התנועתי, הטואק על הרוטור צריך רק להסתמך על מהירות ההחלקה, ניתן לראות השפעה זו איור 5 מֵעַל

עם ויסות מהירות החלקה מתאים, ניתן לשלוט ביעילות על מהירות מנוע אינדוקציה יחד עם המומנט על עומס הרוטור על ידי שימוש בעקרון V / Hz קבוע.

לכן בין אם מדובר במצב פתוח או במצב של לולאה סגורה של בקרת מהירות, שניהם יכולים להיות מיושמים באמצעות כלל V / Hz קבוע.

ניתן להשתמש במצב שליטה בלולאה פתוחה ביישומים שבהם דיוק בקרת המהירות לא יכול להיות גורם חשוב, כמו למשל ביחידות HVAC, או מכשירים עם מאוורר ומפוח. במקרים כאלה תדר לעומס נמצא על ידי התייחסות לרמת המהירות הנדרשת של המנוע, ומהירות הרוטור צפויה לעקוב בערך במהירות הסינכרונית המיידית. בדרך כלל מתעלמים ומקובלים על כל סוג של פער במהירות הנובעת מהחליקת המנוע ביישומים כאלה.

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