Kontrol vektor untuk motor jari yang tidak sinkron

Pada artikel sebelumnya, "Kontrol vektor motor listrik" pada jari " , sistem kontrol vektor untuk motor sinkron dipertimbangkan. Artikel itu ternyata besar, jadi pertanyaan tentang motor induksi diajukan dalam publikasi terpisah. Artikel ini merupakan kelanjutan dari yang sebelumnya dan didasarkan pada penjelasan prinsip-prinsip operasi motor listrik yang diberikan di sana. Dia akan berbicara tentang fitur motor asinkron dalam kaitannya dengan kontrol vektor, dan juga menunjukkan perbedaan dalam struktur sistem kontrol vektor antara mesin sinkron dan asinkron.
Bagaimana cara kerja motor induksi? Penjelasan yang paling populer mengatakan sesuatu seperti "stator menciptakan medan magnet berputar yang menginduksi EMF di rotor, yang menyebabkan arus mengalir di sana, sebagai akibatnya, rotor terbawa oleh medan stator dan mulai berputar." Secara pribadi, dari penjelasan seperti itu saya tidak mulai memahami seluruh fisika proses, jadi mari kita jelaskan secara berbeda, "dengan jari".

Masih melihat video tentang bagaimana magnet berinteraksi dengan silinder tembaga? Terutama perhatikan rentang waktu dari 0:49 hingga 1:03 - ini adalah motor asinkron yang nyata:



Efeknya adalah karena munculnya arus eddy di dalam silinder. Menurut hukum induksi elektromagnetik , ditemukan oleh Michael Faraday, ketika fluks magnetik dari sirkuit tertutup berubah, EMF muncul di dalamnya (asumsikan saja tegangannya). EMF ini, sebagaimana diterapkan pada silinder tembaga, segera menyebabkan arus muncul di dalam silinder. Pada saat yang sama, arus ini juga menciptakan fluks magnet responsnya sendiri yang diarahkan tepat ke arah yang berlawanan dari perubahan fluks magnet yang kita bawa: Arus

induksi yang timbul dalam sirkuit konduksi tertutup memiliki arah sehingga medan magnet yang diciptakannya menangkal perubahan fluks magnet itu, yang menyebabkan arus ini.

Ini dapat dipahami sehingga loop tertutup menolak perubahan fluks magnetik di dalam dirinya sendiri. Jika Anda dengan tajam membawa magnet ke silinder tembaga, mis. Jika Anda membuat perubahan tajam dalam fluks magnet, maka arus respons akan mengalir dalam silinder sehingga medan magnet di dalam silinder pada saat pertama kali akan menjadi nol: medan magnet dari magnet yang dibawa akan sepenuhnya dikompensasi oleh medan magnet arus silinder (dengan asumsi, tentu saja). Jika Anda memegang dan menahan magnet, maka arus dalam silinder akan secara bertahap berkurang karena adanya resistensi tembaga, dan bidang silinder yang diciptakan oleh arusnya akan hilang: fluks magnet dari magnet permanen akan "meledak" ke dalam silinder, seolah-olah tidak ada silinder. Tapi ada baiknya mencoba mengeluarkan magnet,bagaimana silinder akan bereaksi lagi - sekarang akan mencoba untuk "menciptakan kembali" fluks magnet yang hilang di dalam dirinya sendiri, yaitu akan kembali menolak perubahan fluks magnet, dalam hal ini, lenyapnya. Tetapi apa artinya menciptakan kembali fluks magnetik? Ini berarti bahwa untuk beberapa waktu silinder tembaga dapat dianggap secara konvensional sebagai "magnet permanen" - arus eddy beredar di dalamnya, menciptakan medan magnet (superkonduktor dalam medan magnet "menggantung" pada prinsip yang sama, tetapi ini adalah cerita yang sama sekali berbeda).tetapi ini adalah cerita yang sangat berbeda).tetapi ini adalah cerita yang sangat berbeda).

Mari kita beralih ke desain motor induksi. Rotor dari motor induksi secara kondisional dapat dibayangkan juga dalam bentuk silinder tembaga. Tetapi dalam konstruksi nyata, ini adalah kisi tertentu dalam bentuk "kandang tupai" (Gambar 1) yang terbuat dari tembaga atau aluminium, dikombinasikan dengan sirkuit magnetik (besi berlapis).

Gambar 1. Rotor motor induksi tipe sangkar tupai dengan arus di salah satu “kerangka” sangkar tupai yang merespons peningkatan medan magnet eksternal.

Gambar tersebut secara skematis menunjukkan aliran arus di salah satu "bingkai", yaitu di beberapa batang kandang tupai, jika Anda membawa magnet dari atas (buat arus di stator). Bahkan, arus dalam kasus ini mengalir di semua batang, kecuali, secara kondisional, batang atas dan bawah, yang tidak ada perubahan fluks (tetapi mereka akan bereaksi terhadap magnet yang disajikan secara horizontal).

Ingat dari awal artikel terakhirgambar dengan ilustrasi skematis mesin sinkron dua fase, di mana magnet rotor? Sekarang mari kita membuat motor induksi: alih-alih magnet, kita akan meletakkan dua kumparan hubung singkat tegak lurus, melambangkan silinder tembaga rotor (Gambar 2).

Gambar 2. Representasi skematis dari motor induksi sangkar-tupai dua fase.

Mengganti silinder dengan dua kumparan untuk menjelaskan prinsip operasi (atau pemodelan) sudah benar, seperti halnya benar untuk mengganti belitan tiga fase dengan yang dua fase. Hanya dalam kasus ini kami mengganti ... "belitan fase tak terbatas" dari silinder (jumlah bingkai tak terbatas) dengan dua kumparan dengan induktansi dan resistansi yang setara. Lagi pula, dengan dua kumparan, Anda dapat membuat vektor arus dan magnet yang persis sama dengan silinder.

Dan sekarang mari kita buat waktu singkat dari mesin asinkron yang sinkron. Kami memberi makan sumbu β ke dalam koilarus searah dan tunggu dua atau tiga detik hingga arus respons berhenti mengalir di rotor: “kami akan memunculkan magnet eksternal”. Artinya, kita menunggu arus turun di rotor sehingga medan magnet stator "menembus rotor" dan tidak ada yang mengganggu. Apa yang akan terjadi sekarang jika Anda mematikan arus di stator? Itu benar, untuk dua atau tiga detik yang sama, sementara arus rotor berlawanan dengan ini, kita akan mendapatkan "magnet biasa" dari rotor (Gambar 3).

Gambar 3. Motor asinkron, ketika arus searah dalam fase β hanya dimatikan, arus mengalir di rotor i _rd .

Apa yang kita tunggu? Lebih cepat, sampai magnetnya menghilang, kita menggambar sumbu d yang dikenalinya (seperti pada mesin sinkron) dan sumbu q tegak lurus terhadapnya , melekat pada rotor. Kita nyalakan struktur kendali vektor mesin sinkron, terapkan arus di sepanjang sumbu q , buat sebentar, ayo pergi!

Jadi Anda bahkan dapat benar-benar membuat beberapa revolusi sampai magnet gula kita telah meleleh, dan sumbu dtidak dilupakan. Apa yang harus dilakukan Mari kita tidak mematikan arus di sepanjang sumbu d, memicu magnet kita! Dan lagi, mari kita simpan struktur kontrol vektor dari mesin sinkron, hanya dengan mengirimkan tugas di sepanjang sumbu d (sebelumnya ada nol). Jadi, kita melihat Gambar 4: sumbu d , q “melekat” ke rotor oleh sensor posisi, mesin berdiri, arus sepanjang sumbu d di stator disediakan , yang dalam hal ini bertepatan dengan sumbu β untuk mesin berdiri . Tidak ada arus di sepanjang sumbu q : kita menunggu sampai rotor "menarik". Dan sekarang kita memberi makan i _sq (s - stator) saat ini! Ayo pergi!

Gambar 4. Kami menerapkan arus ke sumbu d , memagnetisasi mesin, mempersiapkan segala sesuatu untuk memasok arus ke sumbu stator q .

Seberapa jauh kita akan melangkah dengan metode Baron Munchausen ini? Sayangnya tidak. Lihat apa yang terjadi (Gambar 5):

Gambar 5. Sebuah magnet telah tergelincir!

Mesin mulai berubah, tapi setelah beberapa saat, setelah kami mengajukan saat ini dalam sumbu q , membentuk arus menyeluruh i _s dan "keuntungan" vektor ini untuk posisi magnet rotor dalam rotor "bergerak turun"! Dan benar duduk di sepanjang vektor i _s . Rotor tidak mengerti di mana kami menggambar sumbu d , q ... Tidak masalah baginya apakah itu berputar atau tidak. Adalah penting bahwa "magnet yang diinduksi" internal pada akhirnya ingin menjadi terarah dengan fluks magnet stator, untuk "mematuhi" fluks eksternal. Karena magnet yang telah bergerak keluar, mesin akan berhenti berputar: tidak hanya itu, antara magnet rotor dan arus i _q tidak ada yang diinginkan 90 derajat, ada juga arus sumbud Sekarang menarik dalam arah yang berlawanan, mengimbangi saat dihasilkan saat i _q . Metode Baron Munchausen gagal.

Apa yang harus dilakukan dengan magnet rotor yang sulit dipahami? Dan mari kita buat struktur kontrol vektor dari motor induksi bukan pada sumbu d , q yang melekat pada rotor, tetapi pada sumbu lain yang terpasang persis pada posisi saat ini dari "magnet rotor" - sebut saja sumbu x , sumbu y untuk membedakannya dari sumbu d , q. Menurut "ilmiah", ini adalah sumbu yang berorientasi sepanjang hubungan fluks rotor. Tetapi bagaimana Anda tahu di mana tepatnya sekarang hubungan rux fluks, mis. di mana magnet di rotor diputar? Posisinya tergantung ... pertama, pada posisi rotor itu sendiri (kami memiliki sensor posisi, yah), kedua, pada arus stator (menciptakan arus stator, yang pada akhirnya magnet rotor akan berputar), dan ketiga dari parameter rantai rotor - induktansi dan resistansi "silinder tembaga" (ini adalah sangkar tupai, itu adalah rotor yang berliku, itu adalah rantai rotor). Karena itu ... mengetahui semua ini, posisi "magnet" rotor dapat dengan mudah dihitung menggunakan beberapa persamaan diferensial. Hal ini dilakukan oleh pengamat penghubung fluks rotor, yang disorot dalam warna pada diagram struktural akhir dari kendali vektor motor asinkron (Gambar 6).

Gambar 6. Struktur sensor vektor untuk mengendalikan motor

induksi.Pengamat mendapat bacaan dari sensor posisi rotor, serta arus stator saat ini di sumbu α , β . Output dari pengamat adalah posisi "magnet" rotor, yaitu sudut dari hubungan fluks rotor yang diamati . Kalau tidak, strukturnya benar-benar mirip dengan mesin sinkron, hanya sumbu d , q diganti nama menjadi x , y , dan sumbu x diberikan spesifikasi saat ini yang akan mendukung "magnet" kami di rotor. Juga, " s”Untuk menunjukkan bahwa nilai ini berkaitan dengan stator, dan bukan dengan rotor. Juga harus dicatat bahwa dalam literatur Barat mereka tidak menggunakan sumbu x , y : untuk mereka, sumbu d selalu diarahkan sepanjang bidang rotor, yang untuk motor asinkron, dan untuk yang sinkron. Bahkan di zaman Soviet, para ilmuwan kita memisahkan sumbu d , q dan x , y , untuk menghindari kebingungan: d , q melekat pada rotor, dan x , y melekat pada bidang rotor .

Apa yang terjadi? Magnet rotor meluncur sepanjang waktu, meluncur dari posisi saat ini pada rotor menuju arus sumbu y. Semakin besar arus ini, semakin kuat slipnya. Pengamat real-time menghitung posisi magnet ini dan "memutar" sumbu x , y sepanjang waktu sehubungan dengan sumbu d , q (posisi rotor). Sumbu x selalu sesuai dengan posisi saat ini dari hubungan fluks di rotor - posisi "magnet". Yaitu sumbu x , yselalu jalankan (dalam mode motor) sedikit lebih cepat daripada rotasi rotor, mengimbangi slip di dalamnya. Arus dalam rotor, jika diukur atau dimodelkan, adalah sinusoidal. Hanya saja mereka berubah tidak dengan frekuensi arus stator, tetapi dengan frekuensi slip ini, mis. sangat lambat. Jika stator dari industri asinkron adalah 50Hz, maka ketika bekerja di bawah beban, frekuensi saat ini di rotor adalah satuan hertz. Itu, sebenarnya, adalah seluruh rahasia kendali vektor untuk motor induksi.

Bagaimana kontrol vektor motor induksi lebih baik daripada skalar? Kontrol skalar sedemikian rupa ketika tegangan frekuensi dan amplitudo diberikan pada mesin - misalnya, 380V 50Hz. Dan itu tidak tergantung pada beban pada rotor - tidak ada pengontrol arus dan vektor ... Frekuensi tegangan dan amplitudonya baru saja diatur - besaran skalar, dan biarkan arus dan aliran dalam mesin menemukan tempat yang nyaman untuk diri mereka sendiri seperti yang mereka inginkan. Dalam operasi mesin kondisi tunak, kontrol vektor tidak dapat dibedakan dari kontrol skalar - kontrol vektor juga akan menerapkan hal yang sama, misalnya, 380V, 50Hz pada beban terukur. Tetapi dalam kondisi sementara ... jika Anda perlu segera menghidupkan mesin dengan momen tertentu, jika Anda perlu membuat diagram gerak, jika ada beban pulsa,jika Anda perlu membuat mode generator dengan level daya tertentu - semua kontrol skalar ini tidak dapat melakukannya, atau melakukannya dengan transien yang lambat dan menjijikkan, yang juga dapat “melumpuhkan” konverter frekuensi dengan melebihi arus atau tegangan dari tautan DC (motor) berosilasi dan dapat melompat ke mode generator, yang konverter frekuensi tidak selalu disesuaikan).

Dalam struktur vektor, "semuanya terkendali." Saat Anda mengatur diri sendiri, alur juga. Anda dapat membatasi mereka ke tingkat yang tepat agar tidak melebihi pengaturan perlindungan. Dimungkinkan untuk memaksa arus secara terkendali, jika untuk waktu yang singkat perlu membuat momen beberapa kali lebih besar. Dimungkinkan untuk mengatur tidak hanya momen motor, tetapi juga aliran (arus sumbu x ): jika beban pada motor kecil, maka tidak ada gunanya menjaga aliran penuh pada rotor (membuat magnet "mode nominal") - Anda dapat melemahkannya, mengurangi kehilangan. Dimungkinkan untuk menstabilkan kecepatan dengan pengontrol kecepatan dengan akurasi dan kecepatan tinggi. Anda dapat menggunakan drive asinkron sebagai drive traksi (dalam transportasi), mengatur momen traksi yang diperlukan. Secara umum, untuk aplikasi kompleks dengan operasi motor dinamis, kontrol vektor motor induksi sangat diperlukan.

Ada juga fitur khas dari kontrol vektor motor asinkron dari motor sinkron. Yang pertama adalah sensor posisi. Jika untuk drive sinkron kita perlu mengetahui posisi absolut rotor untuk memahami di mana magnet berada, maka ini tidak diperlukan dalam drive asinkron. Rotor tidak memiliki struktur kutub yang jelas, "magnet" di dalamnya terus-menerus meluncur, dan jika Anda melihat rumus pengamat hubungan fluks rotor, maka Anda tidak perlu tahu posisi: hanya kecepatan rotor yang termasuk dalam rumus (pada kenyataannya, ada rumus yang berbeda, tetapi umumnya begitu). Oleh karena itu, Anda dapat menghemat sensor: enkoder inkremental konvensional cukup untuk melacak kecepatan (atau bahkan tachogenerator), sensor posisi absolut tidak diperlukan. Fitur kedua adalah kontrol aliran pada motor induksi.Dalam mesin sinkron dengan magnet permanen, alirannya tidak diatur, yang membatasi kecepatan engine maksimum: tegangan pada inverter berhenti menjadi cukup. Pada motor induksi, ketika ini terjadi ... kurangi saja referensi porosnyax dan lanjutkan! Frekuensi maksimum tidak terbatas! Ya, torsi mesin akan berkurang dari ini, tetapi, yang paling penting, Anda bisa naik ", tidak seperti mesin sinkron (sebenarnya, itu juga mungkin ada, tetapi tidak jauh, tidak untuk semua mesin dan dengan banyak masalah).

Demikian pula, ada algoritma kontrol vektor tanpa sensor untuk motor induksi yang memperkirakan sudut raut fluks rotor tanpa menggunakan sinyal dari sensor posisi (atau kecepatan) poros rotor. Dengan cara yang sama seperti untuk mesin sinkron, ada masalah dalam pengoperasian sistem tersebut pada kecepatan rotor rendah, di mana motor EMF kecil.

Anda juga harus mengatakan beberapa kata tentang rotor. Jika untuk motor asinkron industri itu lebih murah menggunakan kandang tupai aluminium, maka dalam traksi, di mana indikator berat dan ukuran lebih penting, sebaliknya, mereka dapat menggunakan silinder tembaga. Jadi, di semua kendaraan listrik Tesla favorit Anda, ada motor listrik asinkron dengan rotor tembaga (Gambar 7)

Gambar 7. Tesla Model S rotor motor listrik asinkron dalam selubung baja (foto dari berbagai sumber untuk tahun yang berbeda)

Ini, sebenarnya, adalah semua yang ingin saya katakan tentang motor asinkron. Dalam artikel ulasan ini, banyak seluk-beluk yang belum dipertimbangkan, seperti regulator aliran rotor, kemungkinan konstruksi struktur vektor pada sumbu koordinat lain, matematika dari pengamat pertautan fluks rotor, dan banyak lagi. Seperti pada akhir artikel terakhir, untuk perincian lebih lanjut saya merujuk pembaca ke buku-buku modern pada drive, misalnya, “Anuchin A. S. Electric drive control systems. MEI 2015 " .

Di mana mikrokontroler Anda dapat membuat kontrol vektor penuh, baca, misalnya, dalam artikel "Mikrokontroler motorik kontrol domestik baru K1921VK01T dari OJSC" NIIET ", dan cara men-debugnya di artikel “Metode untuk debugging perangkat lunak mikrokontroler di drive listrik” . Perusahaan kami LLC NPF Vector juga menawarkan pengembangan sistem kontrol yang dibuat khusus untuk motor listrik dan peralatan listrik lainnya, contoh-contoh proyek yang telah selesai dapat dilihat di situs web kami .

PS
Saya minta maaf kepada spesialis untuk perawatan yang tidak benar dengan beberapa istilah, khususnya dengan istilah "fluks", "fluks linkage", "medan magnet" dan lainnya - kesederhanaan membutuhkan pengorbanan ...

Source: https://habr.com/ru/post/id389793/