Comprensión del control escalar (V / f) para motores de inducción

Comprensión del control escalar (V / f) para motores de inducción

En este artículo intentaremos entender cómo se implementa el algoritmo de control escalar para controlar la velocidad del motor de inducción con cálculos relativamente sencillos y, sin embargo, lograr un control de velocidad lineal variable razonablemente bueno del motor.

sección transversal del motor de inducción, que muestra la bobina del estator, el eje del rotor

Los informes de muchos de los principales análisis de mercado revelan que motores de inducción son los más populares cuando se trata de manejar aplicaciones y trabajos relacionados con motores industriales pesados. Las principales razones detrás de la popularidad de los motores de inducción se deben básicamente a su alto grado de robustez, mayor confiabilidad en términos de problemas de desgaste y eficiencia funcional comparativamente alta.

Dicho esto, los motores de inducción tienen una desventaja típica, ya que no son fáciles de controlar con los métodos convencionales ordinarios. El control de motores de inducción es relativamente exigente debido a su configuración matemática bastante compleja, que incluye principalmente:



  • Respuesta no lineal en la saturación del núcleo
  • Inestabilidad en la forma de oscilaciones debido a la variación de temperatura del devanado.

Debido a estos aspectos críticos, la implementación óptima del control del motor de inducción requiere un algoritmo minuciosamente calculado con alta confiabilidad, por ejemplo, usando un método de “control vectorial” y, además, usando un sistema de procesamiento basado en microcontroladores.

Comprensión de la implementación del control escalar

Sin embargo, existe otro método que se puede aplicar para implementar el control del motor de inducción utilizando una configuración mucho más sencilla, es el control escalar que incorpora técnicas de accionamiento no vectorial.

En realidad, es posible habilitar un motor de inducción de CA en un estado estable al operarlo con una retroalimentación de voltaje directa y sistemas controlados por corriente.

En este método escalar, la variable escalar puede ajustarse una vez que se logre su valor correcto, ya sea experimentando de manera práctica o mediante fórmulas y cálculos adecuados.

A continuación, esta medición se puede utilizar para implementar el control del motor a través de un circuito de bucle abierto o mediante una topología de bucle de retroalimentación cerrado.

Aunque el método de control escalar promete resultados de estado estable razonablemente buenos en el motor, es posible que su respuesta transitoria no esté a la altura.

Cómo funcionan los motores de inducción

La palabra 'inducción' en los motores de inducción se refiere a la forma única de su funcionamiento en el que magnetizar el rotor por el devanado del estator se convierte en un aspecto crucial de la operación.

Cuando se aplica CA a través del devanado del estator, el campo magnético oscilante del devanado del estator interactúa con la armadura del rotor creando un nuevo campo magnético en el rotor, que a su vez reacciona con el campo magnético del estator induciendo una gran cantidad de par de rotación en el rotor. . Este par de rotación proporciona a la máquina la salida mecánica efectiva requerida.

¿Qué es el motor de inducción de jaula de ardilla trifásico?

Es la variante más popular de motores de inducción y se usa ampliamente en aplicaciones industriales. En un motor de inducción de jaula de ardilla, el rotor lleva una serie de conductores en forma de barra que rodean el eje del rotor presentando una estructura única en forma de jaula y de ahí el nombre 'jaula de ardilla'.

Estas barras, que tienen una forma sesgada y corren alrededor del eje del rotor, están unidas con anillos de metal gruesos y resistentes en los extremos de las barras. Estos anillos de metal no solo ayudan a asegurar las barras firmemente en su lugar, sino que también refuerzan un cortocircuito eléctrico esencial a través de las barras.

Cuando el devanado del estator se aplica con una corriente alterna sinusoidal trifásica secuencial, el campo magnético resultante también comienza a moverse con la misma velocidad que la frecuencia sinusoidal del estator trifásica (ωs).

Dado que el conjunto de rotor de jaula de ardilla se mantiene dentro del devanado del estator, el campo magnético trifásico alterno anterior del devanado del estator reacciona con el conjunto de rotor induciendo un campo magnético equivalente en las barras conductoras del conjunto de jaula.

Esto obliga a que se acumule un campo magnético secundario alrededor de las barras del rotor y, en consecuencia, este nuevo campo magnético se ve obligado a interactuar con el campo del estator, imponiendo un par de rotación en el rotor que intenta seguir la dirección del campo magnético del estator.

rotor de inducción

En el proceso, la velocidad del rotor intenta alcanzar la velocidad de frecuencia del estator, y cuando se acerca a la velocidad del campo magnético síncrono del estator, la diferencia de velocidad relativa e entre la velocidad de frecuencia del estator y la velocidad de rotación del rotor comienza a disminuir, lo que causa una disminución en la interacción del campo magnético del rotor sobre el campo magnético del estator, lo que eventualmente disminuye el par en el rotor y la potencia de salida equivalente del rotor.

Esto conduce a una potencia mínima en el rotor y, a esta velocidad, se dice que el rotor ha adquirido un estado estable, donde la carga en el rotor es equivalente y coincide con el par en el rotor.

El funcionamiento de un motor de inducción en respuesta a una carga se puede resumir como se explica a continuación:

Dado que es obligatorio mantener una diferencia fina entre la velocidad del rotor (eje) y la velocidad de la frecuencia del estator interno, la velocidad del rotor que realmente maneja la carga gira a una velocidad ligeramente menor que la velocidad de la frecuencia del estator. Por el contrario, si suponemos que el estator se aplica con un suministro trifásico de 50Hz, entonces la velocidad angular de esta frecuencia de 50Hz a través del devanado del estator será siempre ligeramente mayor que la respuesta en la velocidad de rotación del rotor, esto se mantiene inherentemente para asegurar un óptimo potencia en el rotor.

¿Qué es el deslizamiento en el motor de inducción?

La diferencia relativa entre la velocidad angular de frecuencia del estator y la velocidad de rotación de respuesta del rotor se denomina 'deslizamiento'. El deslizamiento debe estar presente incluso en situaciones en las que el motor se opera con una estrategia orientada al campo.

Dado que el eje del rotor en los motores de inducción no depende de ninguna excitación externa para su rotación, puede funcionar sin anillos deslizantes o escobillas convencionales, lo que garantiza un desgaste y rotura prácticamente nulos, una alta eficiencia y un mantenimiento económico.

El factor de par en estos motores está determinado por el ángulo establecido entre los flujos magnéticos del estator y el rotor.

Al observar el diagrama a continuación, podemos ver que la velocidad del rotor se asigna como Ω, y las frecuencias a través del estator y el rotor están determinadas por el parámetro 's' o el deslizamiento, presentado con la fórmula:

s = ( ω s - ω r ) / ω s

En la expresión anterior, s es el 'deslizamiento' que muestra la diferencia entre la velocidad de frecuencia síncrona del estator y la velocidad real del motor desarrollada en el eje del rotor.

rotor de jaula de ardilla

Comprensión de la teoría del control de velocidad escalar

En conceptos de control de motores de inducción donde Técnico V / Hz Se emplea, el control de velocidad se implementa ajustando el voltaje del estator con respecto a la frecuencia de modo que el flujo del entrehierro nunca pueda desviarse más allá del rango esperado del estado estable, en otras palabras, se mantiene dentro de este estado estable estimado. valor, y por lo tanto también se llama el control escalar método ya que la técnica depende en gran medida de la dinámica de estado estable para controlar la velocidad del motor.

Podemos entender el funcionamiento de este concepto consultando la siguiente figura, que muestra el esquema simplificado de una técnica de control escalar. En la configuración se asume que la resistencia del estator (Rs) es cero, mientras que la inductancia de fuga del estator (LIs) impresa sobre la fuga del rotor y la inductancia de magnetización (LIr). Se puede ver que el (LIr) que realmente representa la magnitud del flujo del entrehierro ha sido empujado antes de la inductancia de fuga total (Ll = Lls + Llr).

Debido a esto, el flujo de espacio de aire creado por la corriente de magnetización obtiene un valor aproximado cercano a la relación de frecuencia del estator. Por lo tanto, la expresión fasorial para una evaluación de estado estable se puede escribir de la siguiente manera:

ecuación fasorial para motor de inducción

Para los motores de inducción que pueden estar funcionando en sus regiones magnéticas lineales, el Lm no cambiará y permanecerá constante, en tales casos, la ecuación anterior puede expresarse como:

Donde V y Λ son los valores de voltaje del estator y el flujo del estator respectivamente, mientras que Ṽ representa el parámetro fasorial en el diseño.

La última expresión anterior explica claramente que mientras la relación V / f se mantenga constante independientemente de cualquier cambio en la frecuencia de entrada (f), entonces el flujo también permanece constante, lo que permite que el toque funcione sin depender de la frecuencia del voltaje de suministro. . Eso implica que si ΛM se mantiene a un nivel constante, la relación Vs / ƒ también se representaría a una velocidad relevante constante. Por lo tanto, siempre que se aumente la velocidad del motor, también será necesario aumentar proporcionalmente el voltaje a través del devanado del estator, de modo que se pueda mantener una Vs / f constante.

Sin embargo, aquí el deslizamiento es función de la carga unida al motor, la velocidad de frecuencia síncrona no representa la velocidad real del motor.

En ausencia de un par de carga en el rotor, el deslizamiento resultante puede ser insignificante, permitiendo que el motor alcance velocidades cercanas a las síncronas.

Es por eso que una configuración básica Vs / fo una V / Hz generalmente no tiene la capacidad de implementar un control de velocidad preciso de un motor de inducción cuando el motor está conectado con un par de carga. Sin embargo, puede introducirse fácilmente una compensación de deslizamiento en el sistema junto con la medición de la velocidad.

La representación gráfica que se indica a continuación muestra claramente un sensor de velocidad dentro de un sistema V / Hz de circuito cerrado.

En implementaciones prácticas, normalmente la relación entre el voltaje y la frecuencia del estator puede depender de la clasificación de estos parámetros en sí.

Analizando el control de velocidad V / Hz

En la siguiente figura se puede observar un análisis estándar de V / Hz.

Básicamente, encontrará 3 rangos de selección de velocidad dentro de un perfil V / Hz, que se pueden entender a partir de los siguientes puntos:

  • Refiriéndose a Figura 4 cuando la frecuencia de corte está en la región 0-fc, una entrada de voltaje se vuelve esencial, lo que desarrolla una caída de potencial a través del devanado del estator, y esta caída de voltaje no se puede ignorar y debe compensarse aumentando el voltaje de suministro Vs. Esto indica que en esta región el perfil de la relación V / Hz no es una función lineal. Podemos evaluar analíticamente la frecuencia de corte fc para los voltajes de estator apropiados con la ayuda del circuito equivalente en estado estacionario que tiene Rs ≠ 0.
  • En la región fc-r (nominal) Hz, es capaz de ejecutar una relación constante Vs / Hz, en este caso la pendiente de la relación significa la cantidad del flujo del entrehierro .
  • En la región más allá de f (nominal), funcionando a frecuencias más altas, resulta imposible llevar a cabo la relación Vs / f a una tasa constante, ya que en esta posición la tensión del estator tiende a restringirse en el valor f (nominal). Esto sucede para asegurarse de que el devanado del estator no esté sujeto a una ruptura del aislamiento. Debido a esta situación, el flujo de entrehierro resultante tiende a comprometerse y reducirse, lo que conduce a un par del rotor correspondientemente decreciente. Esta fase operativa en motores de inducción se denomina 'Región de debilitamiento del campo' . Para evitar este tipo de situación, normalmente no se obedece una regla de V / Hz constante en estos rangos de frecuencia.

Debido a la presencia de un flujo magnético constante en el estator independientemente del cambio de frecuencia en el devanado de estator, el toque en el rotor ahora solo tiene que depender de la velocidad de deslizamiento, este efecto se puede ver en la Figura 5 encima

Con una regulación adecuada de la velocidad de deslizamiento, la velocidad de un motor de inducción podría controlarse eficazmente junto con el par en la carga del rotor empleando un principio constante de V / Hz.

Por lo tanto, ya sea que se trate de un modo de control de velocidad de bucle abierto o cerrado, ambos podrían implementarse utilizando la regla de V / Hz constante.

Un modo de control de bucle abierto podría emplearse en aplicaciones donde la precisión del control de velocidad puede no ser un factor importante, como en las unidades de HVAC o en aparatos tipo ventilador y soplador. En tales casos, la frecuencia de la carga se calcula haciendo referencia al nivel de velocidad requerido del motor, y se espera que la velocidad del rotor siga aproximadamente a la velocidad síncrona instantánea. Cualquier forma de discrepancia en la velocidad que surja del deslizamiento del motor generalmente se ignora y se acepta en tales aplicaciones.

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




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