인덕션 모터의 스칼라 (V / f) 제어 이해

이 기사에서는 상대적으로 간단한 계산으로 유도 전동기 속도를 제어하기 위해 스칼라 제어 알고리즘이 구현되는 방법을 이해하면서 모터의 선형 가변 속도 제어를 합리적으로 달성하는 방법을 알아 봅니다.

많은 상위 시장 분석 보고서에 따르면 유도 전동기 중공업 모터 관련 애플리케이션 및 작업을 처리 할 때 가장 많이 사용됩니다. 인덕션 모터가 인기를 누리는 주된 이유는 기본적으로 높은 견고성, 마모 문제 측면에서 더 높은 신뢰성, 비교적 높은 기능 효율성 때문입니다.

즉, 유도 전동기는 일반적인 기존 방법으로 제어하기가 쉽지 않기 때문에 전형적인 단점이 있습니다. 유도 전동기를 제어하는 ​​것은 주로 다음을 포함하는 다소 복잡한 수학적 구성으로 인해 상대적으로 까다 롭습니다.

• 코어 포화시 비선형 응답
• 권선의 온도 변화로 인한 진동 형태의 불안정성.

유도 전동기 제어를 구현하는 이러한 중요한 측면으로 인해 예를 들어 '벡터 제어'방법을 사용하고 추가적으로 마이크로 컨트롤러 기반 처리 시스템을 사용하는 등 높은 신뢰성을 가진 철저히 계산 된 알고리즘이 필요합니다.

스칼라 컨트롤 구현 이해

그러나 훨씬 더 쉬운 구성을 사용하여 유도 전동기 제어를 구현하기 위해 적용 할 수있는 또 다른 방법이 있습니다. 비 벡터 구동 기술을 통합 한 스칼라 제어입니다.

AC 유도 전동기를 간단한 전압 피드백 및 전류 제어 시스템으로 작동하여 정상 상태로 만드는 것이 실제로 가능합니다.

이 스칼라 방법에서 스칼라 변수는 실제 실험을 통해 또는 적절한 공식 및 계산을 통해 올바른 값이 달성되면 조정될 수 있습니다.

다음으로,이 측정은 개방 루프 회로 또는 폐쇄 피드백 루프 토폴로지를 통해 모터 제어를 구현하는 데 사용할 수 있습니다.

스칼라 제어 방법이 모터에서 상당히 좋은 정상 상태 결과를 약속하더라도 과도 응답은 표시에 미치지 못할 수 있습니다.

인덕션 모터의 작동 원리

유도 전동기의 '유도'라는 단어는 고정자 권선에 의해 회 전자를 자화하는 것이 작동의 중요한 측면이되는 고유 한 작동 방식을 나타냅니다.

AC가 고정자 권선에 적용되면 고정자 권선의 진동 자기장이 회 전자 전기자와 상호 작용하여 회 전자에 새로운 자기장을 생성하고, 이는 차례로 고정자 자기장과 반응하여 회 전자에 높은 회전 토크를 유도합니다. . 이 회전 토크는 기계에 필요한 효과적인 기계적 출력을 제공합니다.

3 상 농형 유도 전동기 란?

유도 전동기의 가장 인기있는 변형이며 산업 응용 분야에서 광범위하게 사용됩니다. 농형 유도 전동기에서 로터는 로터의 축을 둘러싸는 일련의 막 대형 도체를 운반하여 독특한 케이 지형 구조를 나타내므로 '다람쥐 케이지'라는 이름이 붙습니다.

모양이 비뚤어지고 로터 축을 중심으로 이어지는이 바는 바 끝에 두껍고 튼튼한 금속 링으로 부착됩니다. 이 금속 링은 바를 제자리에 단단히 고정하는 데 도움이 될뿐만 아니라 바 전체에 필수적인 전기 단락을 강제합니다.

고정자 권선에 시퀀싱 3 상 정현파 교류 전류를 적용하면 결과적인 자기장이 3 상 고정자 사인 주파수 (ωs)와 동일한 속도로 이동하기 시작합니다.

다람쥐 케이지 로터 어셈블리가 고정자 권선 내에 고정되기 때문에, 고정자 권선에서 발생하는 위의 교번 3 상 자기장이 로터 어셈블리와 반응하여 케이지 어셈블리의 막대 도체에 등가 자기장을 유도합니다.

이로 인해 2 차 자기장이 로터 바 주위에 축적되고 결과적으로이 새로운 자기장이 고정자 자기장과 상호 작용하여 고정자 자기장의 방향을 따르려고하는 로터에 회전 토크를 강제합니다.

이 과정에서 회 전자 속도는 고정자의 주파수 속도를 얻으려고 시도하고 고정자 동기 자기장 속도에 가까워짐에 따라 고정자 주파수 속도와 회 전자 회전 속도 사이의 상대 속도 차이 e가 감소하기 시작하여 자기가 감소합니다. 고정자의 자기장에 대한 회 전자의 자기장의 상호 작용은 결국 회 전자의 토크를 감소시키고 회 전자의 등가 출력을 감소시킵니다.

이것은 로터의 최소 전력으로 이어지고이 속도에서 로터는 로터의 부하가 동일하고 로터의 토크와 일치하는 정상 상태를 획득했다고합니다.

부하에 대한 유도 전동기의 작동은 다음과 같이 요약 될 수 있습니다.

회 전자 (샤프트) 속도와 내부 고정자 주파수 속도 사이의 미세한 차이를 유지하는 것이 필수가되므로 실제로 부하를 처리하는 회 전자 속도는 고정자 주파수 속도보다 약간 낮은 속도로 회전합니다. 반대로, 고정자에 50Hz 3 상 공급이 적용된다고 가정하면 고정자 권선을 가로 지르는이 50Hz 주파수의 각속도는 항상 회 전자의 회전 속도 응답보다 약간 더 높을 것입니다. 이것은 본질적으로 최적을 보장하기 위해 유지됩니다. 로터의 전원을 켭니다.

유도 전동기의 슬립이란?

고정자의 주파수 각속도와 회 전자의 응답 회전 속도 간의 상대적인 차이를 '슬립'이라고합니다. 모터가 현장 중심 전략으로 작동되는 상황에서도 슬립이 존재해야합니다.

인덕션 모터의 로터 샤프트는 회전을 위해 외부 여자에 의존하지 않기 때문에 기존의 슬립 링이나 브러시 없이도 작동 할 수있어 마모가 거의없고 효율성이 높지만 유지 보수 비용이 저렴합니다.

이 모터의 토크 계수는 고정자와 회 전자의 자속 사이에 설정된 각도에 의해 결정됩니다.

아래 다이어그램을 보면 회 전자의 속도가 Ω으로 할당되고 고정자와 회 전자의 주파수가 매개 변수 's'또는 슬립에 의해 결정되는 것을 알 수 있습니다. 공식은 다음과 같습니다.

s = ( ω 에스 - ω 아르 자형 ) / ω 에스

위 식에서 s는 고정자의 동기 주파수 속도와 회 전자 축에서 발생하는 실제 모터 속도의 차이를 나타내는 '슬립'입니다.

스칼라 속도 제어 이론 이해

유도 전동기 제어 개념에서 기술 V / Hz 속도 제어는 주파수에 대한 고정자 전압을 조정하여 구현되어 에어 갭 플럭스가 정상 상태의 예상 범위를 벗어날 수 없습니다. 즉,이 예상 정상 상태 내에서 유지됩니다. 가치, 따라서 그것은 또한 스칼라 제어 기술은 모터 속도를 제어하기위한 정상 상태 역학에 크게 의존하기 때문입니다.

스칼라 제어 기법의 단순화 된 체계를 보여주는 다음 그림을 참조하여이 개념의 작동을 이해할 수 있습니다. 설정에서 고정자 저항 (Rs)은 0이고 고정자 누설 인덕턴스 (LI)는 회 전자 누설 및 자화 인덕턴스 (LIr)에 영향을 준다고 가정합니다. 실제로 에어 갭 플럭스의 크기를 나타내는 (LIr)은 총 누설 인덕턴스 (Ll = Lls + Llr) 이전에 밀린 것으로 볼 수 있습니다.

이로 인해 자화 전류에 의해 생성되는 에어 갭 플럭스는 고정자의 주파수 비율에 가까운 근사값을 얻습니다. 따라서 정상 상태 평가를위한 페이저 표현은 다음과 같이 작성할 수 있습니다.

선형 자기 영역에서 작동 할 수있는 유도 전동기의 경우 Lm은 변하지 않고 일정하게 유지됩니다. 이러한 경우 위의 방정식은 다음과 같이 표현 될 수 있습니다.

여기서 V와 Λ는 각각 고정자 전압 값과 고정자 자 속이고, Ṽ는 설계의 페이저 매개 변수를 나타냅니다.

위의 마지막 식은 입력 주파수 (f)의 변화에 ​​관계없이 V / f 비율이 일정하게 유지되는 한 플럭스도 일정하게 유지되어 공급 전압 주파수에 의존하지 않고 토크가 작동 할 수 있음을 명확하게 설명합니다. . 이는 ΛM이 일정한 수준으로 유지되면 Vs / ƒ 비율도 일정한 관련 속도로 렌더링된다는 것을 의미합니다. 따라서 모터의 속도가 증가 할 때마다 고정자 권선의 전압도 비례 적으로 증가해야 일정한 Vs / f를 유지할 수 있습니다.

그러나 여기서 슬립은 모터에 연결된 부하의 기능이므로 동기 주파수 속도는 모터의 실제 속도를 나타내지 않습니다.

로터에 부하 토크가 없으면 결과적인 슬립이 무시할 정도로 작아 모터가 동기 속도에 가깝게 도달 할 수 있습니다.

그렇기 때문에 기본 Vs / f 또는 V / Hz 구성은 일반적으로 모터가 부하 토크와 함께 부착 될 때 유도 모터의 정확한 속도 제어를 구현할 수있는 기능이 없을 수 있습니다. 그러나 슬립 보상은 속도 측정과 함께 시스템에 매우 쉽게 도입 될 수 있습니다.

아래 표시된 그래픽 표현은 폐쇄 루프 V / Hz 시스템 내의 속도 센서를 명확하게 보여줍니다.

실제 구현에서 일반적으로 고정자 전압과 주파수의 비율은 이러한 매개 변수 자체의 정격에 따라 달라질 수 있습니다.

V / Hz 속도 제어 분석

표준 V / Hz 분석은 다음 그림에서 확인할 수 있습니다.

기본적으로 V / Hz 프로파일 내에서 3 가지 속도 선택 범위를 찾을 수 있으며, 이는 다음 사항에서 이해할 수 있습니다.

• 참조 그림 4 차단 주파수가 0-fc 영역에있을 때 전압 입력이 필수가되어 고정자 권선에 전위 강하가 발생하며이 전압 강하는 무시할 수 없으며 공급 전압 Vs를 증가시켜 보상해야합니다. 이것은이 영역에서 V / Hz 비율 프로파일이 선형 함수가 아님을 나타냅니다. Rs ≠ 0 인 정상 상태 등가 회로의 도움으로 적절한 고정자 전압에 대한 차단 주파수 fc를 분석적으로 평가할 수 있습니다.
• 영역 fc-r (rated) Hz에서 일정한 Vs / Hz 관계를 실행할 수 있습니다.이 경우 관계의 기울기는 다음을 의미합니다. 에어 갭 플럭스의 양 .
• 더 높은 주파수에서 실행되는 f (rated)를 넘어선 영역에서는 일정한 속도로 Vs / f 비율을 수행하는 것이 불가능합니다.이 위치에서는 고정자 전압이 f (rated) 값에서 제한되는 경향이 있기 때문입니다. 이것은 고정자 권선이 절연 파괴를받지 않도록하기위한 것입니다. 이러한 상황으로 인해 발생하는 에어 갭 플럭스는 손상되고 감소되는 경향이 있으며 이에 따라 로터 토크가 감소합니다. 유도 전동기의이 작동 단계는 '필드 약화 지역' . 이러한 상황을 방지하기 위해 일반적으로 이러한 주파수 범위에서는 일정한 V / Hz 규칙을 따르지 않습니다.

staor 권선의 주파수 변화에 관계없이 일정한 고정자 자속이 존재하기 때문에 로터의 토크는 이제 슬립 속도에만 의존하면됩니다.이 효과는 다음에서 볼 수 있습니다. 그림 5 위

적절한 슬립 속도 조절을 통해 유도 모터의 속도는 일정한 V / Hz 원리를 사용하여 로터 부하의 토크와 함께 효과적으로 제어 될 수 있습니다.

따라서 속도 제어의 개방형 또는 폐쇄 형 루프 모드이든 둘 다 일정한 V / Hz 규칙을 사용하여 구현할 수 있습니다.

개방 루프 제어 모드는 HVAC 장치 또는 팬 및 송풍기와 같은 기기와 같이 속도 제어의 정확성이 중요한 요소가 아닐 수있는 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. 이러한 경우 부하에 대한 주파수는 모터의 필요한 속도 수준을 참조하여 구하며, 회 전자 속도는 대략 순시 동기 속도를 따를 것으로 예상됩니다. 모터의 미끄러짐으로 인해 발생하는 속도의 모든 형태의 불일치는 일반적으로 이러한 응용 분야에서 무시되고 허용됩니다.

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