การทำความเข้าใจการควบคุมสเกลาร์ (V / f) สำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำ

ลองใช้เครื่องมือของเราเพื่อกำจัดปัญหา





ในบทความนี้เราจะพยายามทำความเข้าใจว่าอัลกอริธึมการควบคุมสเกลาร์ถูกนำไปใช้อย่างไรในการควบคุมความเร็วมอเตอร์เหนี่ยวนำด้วยการคำนวณที่ค่อนข้างตรงไปตรงมาและยังสามารถควบคุมความเร็วตัวแปรเชิงเส้นได้ดีพอสมควร

หน้าตัดของมอเตอร์เหนี่ยวนำแสดงขดลวดสเตเตอร์เพลาโรเตอร์

รายงานจากการวิเคราะห์ตลาดชั้นนำหลายแห่งเปิดเผยว่า มอเตอร์เหนี่ยวนำ เป็นที่นิยมมากที่สุดในการจัดการการใช้งานและงานที่เกี่ยวข้องกับมอเตอร์ในอุตสาหกรรมหนัก สาเหตุหลักที่อยู่เบื้องหลังความนิยมของมอเตอร์เหนี่ยวนำนั้นมาจากความทนทานที่สูงความน่าเชื่อถือที่มากขึ้นในแง่ของปัญหาการสึกหรอและประสิทธิภาพในการทำงานที่ค่อนข้างสูง



ที่กล่าวว่ามอเตอร์เหนี่ยวนำมีข้อเสียทั่วไปอย่างหนึ่งเนื่องจากไม่ง่ายที่จะควบคุมด้วยวิธีการธรรมดาทั่วไป การควบคุมมอเตอร์เหนี่ยวนำค่อนข้างต้องการเนื่องจากการกำหนดค่าทางคณิตศาสตร์ที่ค่อนข้างซับซ้อนซึ่งส่วนใหญ่รวมถึง:

  • การตอบสนองที่ไม่ใช่เชิงเส้นที่ความอิ่มตัวของแกน
  • ความไม่เสถียรในรูปแบบการสั่นเนื่องจากอุณหภูมิที่แตกต่างกันของขดลวด

เนื่องจากแง่มุมที่สำคัญเหล่านี้ในการใช้การควบคุมมอเตอร์เหนี่ยวนำจึงต้องการอัลกอริธึมที่คำนวณอย่างละเอียดพร้อมความน่าเชื่อถือสูงตัวอย่างเช่นการใช้วิธี 'การควบคุมเวกเตอร์' และการใช้ระบบประมวลผลที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์เพิ่มเติม



การทำความเข้าใจการดำเนินการควบคุมสเกลาร์

อย่างไรก็ตามมีวิธีการอื่นที่สามารถนำไปใช้ในการใช้การควบคุมมอเตอร์เหนี่ยวนำโดยใช้การกำหนดค่าที่ง่ายกว่ามากนั่นคือการควบคุมสเกลาร์ที่ผสมผสานเทคนิคไดรฟ์ที่ไม่ใช่เวกเตอร์

เป็นไปได้จริงที่จะเปิดใช้งานมอเตอร์เหนี่ยวนำกระแสสลับให้อยู่ในสถานะคงที่โดยใช้งานด้วยการตอบสนองแรงดันไฟฟ้าที่ตรงไปตรงมาและระบบควบคุมกระแสไฟฟ้า

ในวิธีการสเกลาร์นี้ตัวแปรสเกลาร์อาจถูกปรับแต่งเมื่อได้ค่าที่ถูกต้องไม่ว่าจะโดยการทดลองในทางปฏิบัติหรือผ่านสูตรและการคำนวณที่เหมาะสม

ถัดไปการวัดนี้สามารถใช้สำหรับการใช้การควบคุมมอเตอร์ผ่านวงจรลูปเปิดหรือผ่านโทโพโลยีแบบลูปป้อนกลับแบบปิด

แม้ว่าวิธีการควบคุมแบบสเกลาร์จะให้ผลลัพธ์สภาวะคงที่ที่ดีพอสมควรบนมอเตอร์ แต่การตอบสนองชั่วคราวของมอเตอร์อาจไม่เป็นไปตามที่กำหนด

มอเตอร์เหนี่ยวนำทำงานอย่างไร

คำว่า 'การเหนี่ยวนำ' ในมอเตอร์เหนี่ยวนำหมายถึงวิธีการทำงานที่ไม่เหมือนใครซึ่งการทำให้โรเตอร์เป็นแม่เหล็กโดยขดลวดสเตเตอร์กลายเป็นลักษณะสำคัญของการทำงาน

เมื่อ AC ถูกนำไปใช้กับขดลวดสเตเตอร์สนามแม่เหล็กที่กำลังสั่นจากขดลวดสเตเตอร์จะทำปฏิกิริยากับเกราะของโรเตอร์ที่สร้างสนามแม่เหล็กใหม่บนโรเตอร์ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กสเตเตอร์ซึ่งทำให้เกิดแรงบิดในการหมุนบนโรเตอร์จำนวนมาก . แรงบิดในการหมุนนี้ทำให้เอาต์พุตเชิงกลที่ต้องการมีประสิทธิภาพไปยังเครื่อง

มอเตอร์เหนี่ยวนำกรงกระรอก 3 เฟสคืออะไร

เป็นมอเตอร์เหนี่ยวนำที่ได้รับความนิยมมากที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลายในงานอุตสาหกรรม ในมอเตอร์เหนี่ยวนำกรงกระรอกโรเตอร์จะมีแถบเหมือนตัวนำล้อมรอบแกนของโรเตอร์ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกรงที่มีลักษณะเฉพาะและด้วยเหตุนี้จึงเรียกว่า 'กรงกระรอก'

แท่งเหล่านี้ซึ่งมีรูปร่างเอียงและวิ่งไปรอบ ๆ แกนโรเตอร์จะติดด้วยวงแหวนโลหะที่หนาและแข็งแรงที่ปลายแท่ง วงแหวนโลหะเหล่านี้ไม่เพียง แต่ช่วยยึดแท่งให้แน่นหนา แต่ยังบังคับให้เกิดการลัดวงจรทางไฟฟ้าที่จำเป็นบนแท่ง

เมื่อใช้ขดลวดสเตเตอร์กับกระแสสลับไซน์ 3 เฟสแบบเรียงลำดับสนามแม่เหล็กที่ได้จะเริ่มเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเดียวกันกับความถี่ไซน์สเตเตอร์ 3 เฟส (ωs)

เนื่องจากชุดโรเตอร์ของกรงกระรอกถูกยึดไว้ภายในขดลวดสเตเตอร์สนามแม่เหล็ก 3 เฟสข้างต้นจากขดลวดสเตเตอร์จะทำปฏิกิริยากับชุดโรเตอร์ที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่เท่ากันบนตัวนำแท่งของชุดกรง

สิ่งนี้บังคับให้สนามแม่เหล็กทุติยภูมิสร้างขึ้นรอบ ๆ แท่งโรเตอร์และด้วยเหตุนี้สนามแม่เหล็กใหม่นี้จึงถูกบังคับให้โต้ตอบกับสนามสเตเตอร์โดยบังคับให้เกิดแรงบิดในการหมุนบนโรเตอร์ซึ่งพยายามทำตามทิศทางของสนามแม่เหล็กสเตเตอร์

โรเตอร์เหนี่ยวนำ

ในกระบวนการความเร็วของโรเตอร์พยายามที่จะบรรลุความเร็วความถี่ของสเตเตอร์และเมื่อเข้าใกล้ความเร็วสนามแม่เหล็กซิงโครนัสของสเตเตอร์ความแตกต่างของความเร็วสัมพัทธ์ e ระหว่างความเร็วความถี่ของสเตเตอร์และความเร็วในการหมุนของโรเตอร์จะเริ่มลดลงซึ่งทำให้แม่เหล็กลดลง ปฏิสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กของโรเตอร์เหนือสนามแม่เหล็กของสเตเตอร์ในที่สุดก็จะลดแรงบิดของโรเตอร์และกำลังส่งออกที่เทียบเท่ากันของโรเตอร์

สิ่งนี้นำไปสู่การใช้พลังงานขั้นต่ำบนโรเตอร์และด้วยความเร็วนี้โรเตอร์ได้รับสถานะคงที่โดยที่โหลดบนโรเตอร์จะเท่ากันและตรงกับแรงบิดบนโรเตอร์

การทำงานของมอเตอร์เหนี่ยวนำในการตอบสนองต่อโหลดอาจสรุปได้ดังที่อธิบายไว้ด้านล่าง:

เนื่องจากจำเป็นต้องรักษาความแตกต่างระหว่างความเร็วของโรเตอร์ (เพลา) และความเร็วความถี่ของสเตเตอร์ภายในความเร็วของโรเตอร์ซึ่งจัดการกับโหลดจริงจึงหมุนด้วยความเร็วที่ลดลงเล็กน้อยกว่าความเร็วความถี่ของสเตเตอร์ ในทางกลับกันถ้าเราสมมติว่าสเตเตอร์ถูกนำไปใช้กับแหล่งจ่ายไฟ 3 เฟส 50Hz ความเร็วเชิงมุมของความถี่ 50Hz นี้ในการคดเคี้ยวของสเตเตอร์จะสูงกว่าการตอบสนองของความเร็วในการหมุนของโรเตอร์เล็กน้อยซึ่งจะได้รับการบำรุงรักษาโดยเนื้อแท้เพื่อให้แน่ใจว่าเหมาะสม เปิดโรเตอร์

สลิปในมอเตอร์เหนี่ยวนำคืออะไร

ความแตกต่างสัมพัทธ์ระหว่างความเร็วเชิงมุมของสเตเตอร์และความเร็วในการตอบสนองของโรเตอร์เรียกว่า 'สลิป' จำเป็นต้องมีสลิปแม้ในสถานการณ์ที่มอเตอร์ทำงานด้วยกลยุทธ์เชิงพื้นที่

เนื่องจากเพลาโรเตอร์ในมอเตอร์เหนี่ยวนำไม่ได้ขึ้นอยู่กับแรงกระตุ้นภายนอกใด ๆ สำหรับการหมุนจึงสามารถทำงานได้โดยไม่ต้องใช้วงแหวนหรือแปรงแบบเดิมซึ่งทำให้มั่นใจได้ว่าแทบไม่มีการสึกหรอมีประสิทธิภาพสูงและราคาไม่แพงด้วยการบำรุงรักษา

ปัจจัยแรงบิดในมอเตอร์เหล่านี้ถูกกำหนดโดยมุมที่สร้างขึ้นระหว่างฟลักซ์แม่เหล็กของสเตเตอร์และโรเตอร์

เมื่อดูแผนภาพด้านล่างเราจะเห็นว่าความเร็วของโรเตอร์ถูกกำหนดให้เป็นΩและความถี่ของสเตเตอร์และโรเตอร์จะถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์“ s” หรือสลิปที่นำเสนอด้วยสูตร:

s = ( ω เอส - ω ) / ω เอส

ในนิพจน์ข้างต้น s คือ 'สลิป' ซึ่งแสดงความแตกต่างระหว่างความเร็วความถี่ซิงโครนัสของสเตเตอร์กับความเร็วมอเตอร์จริงที่พัฒนาบนเพลาโรเตอร์

ใบพัดกรงกระรอก

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับทฤษฎีการควบคุมความเร็วของสเกลาร์

ในแนวคิดการควบคุมมอเตอร์เหนี่ยวนำโดยที่ เทคนิค V / Hz ถูกนำมาใช้การควบคุมความเร็วจะดำเนินการโดยการปรับแรงดันไฟฟ้าของสเตเตอร์ตามความถี่เพื่อให้ฟลักซ์ช่องว่างของอากาศไม่สามารถเบี่ยงเบนไปเกินช่วงที่คาดไว้ของสภาวะคงตัวได้กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือจะคงอยู่ภายในสภาวะคงที่โดยประมาณนี้ ค่าและด้วยเหตุนี้จึงเรียกอีกอย่างว่า การควบคุมสเกลาร์ วิธีการเนื่องจากเทคนิคนี้ขึ้นอยู่กับพลวัตของสภาวะคงตัวในการควบคุมความเร็วของมอเตอร์

เราสามารถเข้าใจการทำงานของแนวคิดนี้ได้โดยอ้างถึงรูปต่อไปนี้ซึ่งแสดงรูปแบบที่เรียบง่ายของเทคนิคการควบคุมสเกลาร์ ในการตั้งค่าจะถือว่าความต้านทานของสเตเตอร์ (Rs) เป็นศูนย์ในขณะที่ตัวเหนี่ยวนำการรั่วไหลของสเตเตอร์ (LI) ประทับใจเมื่อโรเตอร์รั่วและการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (LIr) (LIr) ซึ่งแสดงขนาดของฟลักซ์ช่องว่างอากาศสามารถเห็นได้ว่าถูกผลักก่อนที่จะมีการเหนี่ยวนำการรั่วไหลทั้งหมด (Ll = Lls + Llr)

ด้วยเหตุนี้ฟลักซ์ช่องว่างอากาศที่สร้างขึ้นโดยกระแสแม่เหล็กจึงมีค่าโดยประมาณใกล้เคียงกับอัตราส่วนความถี่ของสเตเตอร์ ดังนั้นนิพจน์เฟสเซอร์สำหรับการประเมินสภาวะคงตัวสามารถเขียนได้ดังนี้:

สมการเฟสเซอร์สำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำ

สำหรับมอเตอร์เหนี่ยวนำซึ่งอาจทำงานที่บริเวณแม่เหล็กเชิงเส้น Lm จะไม่เปลี่ยนแปลงและคงที่ในกรณีเช่นนี้สมการข้างต้นอาจแสดงเป็น:

โดยที่ V และΛคือค่าแรงดันสเตเตอร์และฟลักซ์สเตเตอร์ตามลำดับในขณะที่Ṽแสดงถึงพารามิเตอร์เฟสเซอร์ในการออกแบบ

นิพจน์สุดท้ายข้างต้นอธิบายอย่างชัดเจนว่าตราบใดที่อัตราส่วน V / f คงที่โดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ของความถี่อินพุต (f) ฟลักซ์ก็ยังคงที่ซึ่งทำให้แรงดันไฟฟ้าทำงานได้โดยไม่ขึ้นอยู่กับความถี่ของแรงดันไฟฟ้า . นั่นหมายความว่าถ้าΛMถูกรักษาไว้ที่ระดับคงที่อัตราส่วน Vs / ƒก็จะแสดงผลด้วยความเร็วที่สัมพันธ์กันคงที่ ดังนั้นเมื่อใดก็ตามที่ความเร็วของมอเตอร์เพิ่มขึ้นแรงดันไฟฟ้าของขดลวดสเตเตอร์ก็จะต้องเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเพื่อให้สามารถรักษา Vs / f ให้คงที่ได้

อย่างไรก็ตามที่นี่สลิปเป็นหน้าที่ของโหลดที่ติดอยู่กับมอเตอร์ความเร็วความถี่ซิงโครนัสไม่ได้แสดงถึงความเร็วที่แท้จริงของมอเตอร์

ในกรณีที่ไม่มีแรงบิดโหลดบนโรเตอร์สลิปที่ได้อาจมีขนาดเล็กเล็กน้อยทำให้มอเตอร์เข้าใกล้ความเร็วซิงโครนัส

นั่นคือเหตุผลที่การกำหนดค่า Vs / f หรือ V / Hz พื้นฐานมักจะไม่มีความสามารถในการควบคุมความเร็วที่ถูกต้องของมอเตอร์เหนี่ยวนำเมื่อติดตั้งมอเตอร์ด้วยแรงบิดโหลด อย่างไรก็ตามการชดเชยสลิปอาจทำได้ค่อนข้างง่ายในระบบพร้อมกับการวัดความเร็ว

การแสดงภาพกราฟิกด้านล่างแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงเซ็นเซอร์ความเร็วภายในระบบ V / Hz วงปิด

ในการใช้งานจริงโดยทั่วไปอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าสเตเตอร์และความถี่อาจขึ้นอยู่กับการจัดอันดับของพารามิเตอร์เหล่านี้เอง

การวิเคราะห์การควบคุมความเร็ว V / Hz

การวิเคราะห์ V / Hz มาตรฐานสามารถเห็นได้ในรูปต่อไปนี้

โดยพื้นฐานแล้วคุณจะพบช่วงการเลือกความเร็ว 3 ช่วงภายในโปรไฟล์ V / Hz ซึ่งอาจเข้าใจได้จากประเด็นต่อไปนี้:

  • อ้างถึง รูปที่ 4 เมื่อความถี่ตัดอยู่ที่พื้นที่ 0-fc อินพุตแรงดันไฟฟ้าจะกลายเป็นสิ่งสำคัญซึ่งจะพัฒนาแรงดันตกคร่อมขดลวดสเตเตอร์และไม่สามารถเพิกเฉยต่อแรงดันไฟฟ้านี้ได้และจำเป็นต้องได้รับการชดเชยโดยการเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเทียบกับ สิ่งนี้บ่งชี้ว่าในภูมิภาคนี้โปรไฟล์อัตราส่วน V / Hz ไม่ใช่ฟังก์ชันเชิงเส้น เราสามารถวิเคราะห์การวิเคราะห์ความถี่ตัด fc สำหรับแรงดันไฟฟ้าของสเตเตอร์ที่เหมาะสมด้วยความช่วยเหลือของวงจรเทียบเท่าสภาวะคงตัวที่มี Rs ≠ 0
  • ในภูมิภาค fc-r (พิกัด) Hz สามารถดำเนินการความสัมพันธ์คงที่ Vs / Hz ได้ในกรณีนี้ความชันของความสัมพันธ์แสดงถึง ปริมาณฟลักซ์ช่องว่างอากาศ .
  • ในพื้นที่ที่เกิน f (พิกัด) ซึ่งทำงานด้วยความถี่ที่สูงกว่าจะไม่สามารถใช้อัตราส่วน Vs / f ในอัตราคงที่ได้เนื่องจากในตำแหน่งนี้แรงดันไฟฟ้าของสเตเตอร์มีแนวโน้มที่จะถูก จำกัด ที่ค่า f (พิกัด) สิ่งนี้เกิดขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่าขดลวดสเตเตอร์ไม่อยู่ภายใต้การสลายของฉนวน เนื่องจากสถานการณ์นี้ฟลักซ์ช่องว่างอากาศที่เกิดขึ้นจึงมีแนวโน้มที่จะลดลงและลดลงส่งผลให้แรงบิดของโรเตอร์ลดลงตามลำดับ ขั้นตอนการทำงานในมอเตอร์เหนี่ยวนำนี้เรียกว่า “ ภาคสนาม” . เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดสถานการณ์เช่นนี้โดยปกติจะไม่ปฏิบัติตามกฎ V / Hz คงที่ในช่วงความถี่เหล่านี้

เนื่องจากการมีฟลักซ์แม่เหล็กของสเตเตอร์คงที่โดยไม่คำนึงถึงการเปลี่ยนแปลงความถี่ในขดลวด staor การบิดบนโรเตอร์จึงต้องอาศัยความเร็วในการลื่นเท่านั้นผลกระทบนี้สามารถเห็นได้ใน รูปที่ 5 ข้างบน

ด้วยการควบคุมความเร็วลื่นที่เหมาะสมความเร็วของมอเตอร์เหนี่ยวนำสามารถควบคุมได้อย่างมีประสิทธิภาพพร้อมกับแรงบิดของโหลดโรเตอร์โดยใช้หลักการคงที่ V / Hz

ดังนั้นไม่ว่าจะเป็นโหมดควบคุมความเร็วแบบเปิดหรือแบบวงปิดทั้งสองสามารถใช้งานได้โดยใช้กฎคงที่ V / Hz

สามารถใช้โหมดการควบคุมแบบวงเปิดในแอปพลิเคชันที่ความแม่นยำของการควบคุมความเร็วอาจไม่ใช่ปัจจัยสำคัญเช่นในหน่วย HVAC หรือพัดลมและเครื่องเป่าลมเหมือนเครื่องใช้ไฟฟ้า ในกรณีเช่นนี้จะพบความถี่ในการโหลดโดยอ้างอิงระดับความเร็วที่ต้องการของมอเตอร์และคาดว่าความเร็วของโรเตอร์จะเป็นไปตามความเร็วซิงโครนัสทันที รูปแบบใด ๆ ของความคลาดเคลื่อนของความเร็วที่เกิดจากการลื่นไถลของมอเตอร์โดยทั่วไปจะถูกละเลยและยอมรับในการใช้งานดังกล่าว

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




ก่อนหน้านี้: ทำความเข้าใจกับตัวต้านทานแบบดึงขึ้นและแบบดึงลงด้วยไดอะแกรมและสูตร ถัดไป: เอกสารข้อมูลแบตเตอรี่ 18650 2600mAh และการทำงาน