Comprendre la commande scalaire (V / f) pour les moteurs à induction

Dans cet article, nous allons essayer de comprendre comment l'algorithme de contrôle scalaire est mis en œuvre pour contrôler la vitesse du moteur à induction avec des calculs relativement simples, tout en obtenant un contrôle de vitesse variable linéairement raisonnablement bon du moteur.

Les rapports de nombreuses analyses de marché de premier plan révèlent que moteurs asynchrones sont les plus populaires pour gérer les applications et les travaux liés aux moteurs industriels lourds. Les principales raisons de la popularité des moteurs à induction sont essentiellement dues à leur haut degré de robustesse, une plus grande fiabilité en termes de problèmes d'usure et une efficacité fonctionnelle relativement élevée.

Cela dit, les moteurs à induction ont un inconvénient typique, car ils ne sont pas faciles à contrôler avec les méthodes conventionnelles ordinaires. Le contrôle des moteurs à induction est relativement exigeant en raison de sa configuration mathématique assez complexe, qui comprend principalement:

• Réponse non linéaire à la saturation du cœur
• Instabilité des oscillations de forme due à la température variable de l'enroulement.

En raison de ces aspects critiques, la mise en œuvre de la commande de moteur à induction exige de manière optimale un algorithme soigneusement calculé avec une grande fiabilité, par exemple en utilisant une méthode de «contrôle vectoriel» et en utilisant en plus un système de traitement basé sur un microcontrôleur.

Comprendre l'implémentation du contrôle scalaire

Cependant, il existe une autre méthode qui peut être appliquée pour mettre en œuvre une commande de moteur à induction en utilisant une configuration beaucoup plus simple, c'est la commande scalaire incorporant des techniques d'entraînement non vectorielles.

Il est en fait possible d'activer un moteur à induction à courant alternatif dans un état stable en le faisant fonctionner avec un retour de tension simple et des systèmes contrôlés en courant.

Dans cette méthode scalaire, la variable scalaire peut être ajustée une fois que sa bonne valeur est atteinte, soit en expérimentant pratiquement, soit au moyen de formules et de calculs appropriés.

Ensuite, cette mesure peut être utilisée pour mettre en œuvre une commande de moteur via un circuit en boucle ouverte ou via une topologie en boucle de rétroaction fermée.

Même si la méthode de contrôle scalaire promet des résultats raisonnablement bons en régime permanent sur le moteur, sa réponse transitoire peut ne pas être à la hauteur.

Comment fonctionnent les moteurs à induction

Le mot «induction» dans les moteurs à induction fait référence à la manière unique de son fonctionnement dans laquelle la magnétisation du rotor par l'enroulement du stator devient un aspect crucial de l'opération.

Lorsque le courant alternatif est appliqué à travers l'enroulement du stator, le champ magnétique oscillant de l'enroulement du stator interagit avec l'armature du rotor, créant un nouveau champ magnétique sur le rotor, qui à son tour réagit avec le champ magnétique du stator induisant une quantité élevée de couple de rotation sur le rotor. . Ce couple de rotation donne la puissance mécanique effective requise à la machine.

Qu'est-ce que le moteur à induction à cage d'écureuil triphasé

C'est la variante la plus populaire des moteurs à induction et est largement utilisée dans les applications industrielles. Dans un moteur à induction à cage d'écureuil, le rotor porte une série de conducteurs en forme de barre entourant l'axe du rotor présentant une structure unique en forme de cage et d'où le nom de «cage d'écureuil».

Ces barres de forme oblique et tournant tout autour de l'axe du rotor sont fixées avec des anneaux métalliques épais et robustes aux extrémités des barres. Ces anneaux métalliques aident non seulement à sécuriser les barres fermement en place, mais également à imposer un court-circuit électrique essentiel à travers les barres.

Lorsque l'enroulement du stator est appliqué avec un courant alternatif sinusoïdal triphasé de séquençage, le champ magnétique résultant commence également à se déplacer avec la même vitesse que la fréquence sinusoïdale du stator triphasé (ωs).

Puisque l'ensemble de rotor à cage d'écureuil est maintenu à l'intérieur de l'enroulement de stator, le champ magnétique triphasé alternatif ci-dessus provenant de l'enroulement de stator réagit avec l'ensemble de rotor en induisant un champ magnétique équivalent sur les barres conductrices de l'ensemble de cage.

Cela force un champ magnétique secondaire à s'accumuler autour des barres du rotor, et par conséquent, ce nouveau champ magnétique est forcé d'interagir avec le champ du stator, imposant un couple de rotation sur le rotor qui tente de suivre la direction du champ magnétique du stator.

Au cours du processus, la vitesse du rotor essaie d'atteindre la vitesse de fréquence du stator, et à mesure qu'elle s'approche de la vitesse du champ magnétique synchrone du stator, la différence de vitesse relative e entre la vitesse de fréquence du stator et la vitesse de rotation du rotor commence à diminuer, ce qui entraîne une diminution du champ magnétique. interaction du champ magnétique du rotor sur le champ magnétique du stator, diminuant éventuellement le couple sur le rotor et la puissance de sortie équivalente du rotor.

Ceci conduit à une puissance minimale sur le rotor et à cette vitesse le rotor est dit avoir acquis un état stationnaire, où la charge sur le rotor est équivalente et correspond au couple sur le rotor.

Le fonctionnement d'un moteur à induction en réponse à une charge peut être résumé comme expliqué ci-dessous:

Puisqu'il devient obligatoire de maintenir une différence fine entre la vitesse du rotor (arbre) et la vitesse de fréquence interne du stator, la vitesse du rotor qui gère réellement la charge, tourne à une vitesse légèrement réduite par rapport à la vitesse de fréquence du stator. Inversement, si nous supposons que le stator est appliqué avec une alimentation triphasée de 50 Hz, la vitesse angulaire de cette fréquence de 50 Hz à travers l'enroulement du stator sera toujours légèrement supérieure à la réponse de la vitesse de rotation du rotor, ceci est intrinsèquement maintenu pour assurer une mettez le rotor sous tension.

Qu'est-ce que le glissement du moteur à induction

La différence relative entre la vitesse de fréquence angulaire du stator et la vitesse de rotation sensible du rotor est appelée «glissement». Le glissement doit être présent même dans les situations où le moteur fonctionne avec une stratégie orientée terrain.

Étant donné que l'arbre du rotor dans les moteurs à induction ne dépend d'aucune excitation externe pour sa rotation, il peut fonctionner sans bagues collectrices ou balais conventionnels, garantissant une usure pratiquement nulle, un rendement élevé et pourtant peu coûteux avec son entretien.

Le facteur de couple dans ces moteurs est déterminé par l'angle établi entre les flux magnétiques du stator et du rotor.

En regardant le diagramme ci-dessous, nous pouvons voir que la vitesse du rotor est attribuée à Ω, et les fréquences à travers le stator et le rotor sont déterminées par le paramètre «s» ou le glissement, présenté avec la formule:

s = ( ω s - ω r ) / ω s

Dans l’expression ci-dessus, s est le «glissement» qui présente la différence entre la vitesse de fréquence synchrone du stator et la vitesse réelle du moteur développée sur l’arbre du rotor.

Comprendre la théorie du contrôle de la vitesse scalaire

Dans les concepts de commande de moteurs à induction où V/Hz technique est utilisé, le contrôle de vitesse est mis en œuvre en ajustant la tension du stator par rapport à la fréquence de sorte que le flux d'entrefer ne puisse jamais dévier au-delà de la plage attendue du régime permanent, c'est-à-dire qu'il est maintenu dans cet état stationnaire estimé valeur, et par conséquent, il est également appelé le contrôle scalaire méthode car la technique dépend fortement de la dynamique en régime permanent pour contrôler la vitesse du moteur.

Nous pouvons comprendre le fonctionnement de ce concept en se référant à la figure suivante, qui montre le schéma simplifié d'une technique de contrôle scalaire. Dans la configuration, on suppose que la résistance du stator (Rs) est nulle, tandis que l'inductance de fuite du stator (LIs) est appliquée sur la fuite du rotor et l'inductance de magnétisation (LIr). On peut voir que le (LIr) qui représente réellement l'amplitude du flux de l'entrefer a été poussé avant l'inductance de fuite totale (Ll = Lls + Llr).

De ce fait, le flux d’entrefer créé par le courant de magnétisation obtient une valeur approximative proche du rapport de fréquence du stator. Ainsi, l'expression du phaseur pour une évaluation à l'état d'équilibre peut s'écrire comme suit:

Pour les moteurs à induction qui peuvent fonctionner dans leurs régions magnétiques linéaires, le Lm ne changera pas et restera constant, dans de tels cas, l'équation ci-dessus peut être exprimée comme suit:

Où V et Λ sont respectivement les valeurs de tension du stator et le flux de stator, tandis que Ṽ représente le paramètre de phaseur dans la conception.

La dernière expression ci-dessus explique clairement que tant que le rapport V / f est maintenu constant quel que soit le changement de la fréquence d'entrée (f), le flux reste également constant, ce qui permet à la toque de fonctionner sans dépendre de la fréquence de la tension d'alimentation. . Cela implique que si ΛM est maintenu à un niveau constant, le rapport Vs / ƒ serait également rendu à une vitesse pertinente constante. Par conséquent, chaque fois que la vitesse du moteur est augmentée, la tension aux bornes de l'enroulement du stator devra également être augmentée proportionnellement, de sorte qu'une constante Vs / f puisse être maintenue.

Or ici le glissement étant la fonction de la charge attachée au moteur, la vitesse de fréquence synchrone ne représente pas la vitesse réelle du moteur.

En l'absence de couple de charge sur le rotor, le glissement résultant peut être négligeable, permettant au moteur d'atteindre des vitesses proches de synchrones.

C'est pourquoi une configuration de base Vs / f ou V / Hz peut généralement ne pas avoir la capacité de mettre en œuvre une commande de vitesse précise d'un moteur à induction lorsque le moteur est attaché avec un couple de charge. Cependant, une compensation de glissement peut être introduite assez facilement dans le système avec la mesure de la vitesse.

La représentation graphique indiquée ci-dessous représente clairement un capteur de vitesse dans un système V / Hz en boucle fermée.

Dans les mises en œuvre pratiques, le rapport entre la tension et la fréquence du stator peut généralement dépendre de la valeur nominale de ces paramètres elle-même.

Analyse du contrôle de vitesse V / Hz

Une analyse V / Hz standard peut être observée dans la figure suivante.

Fondamentalement, vous trouverez 3 plages de sélection de vitesse dans un profil V / Hz, qui peuvent être comprises à partir des points suivants:

• Se référant à figure 4 lorsque la fréquence de coupure est dans la région 0-fc, une entrée de tension devient indispensable, ce qui développe une chute de potentiel aux bornes de l'enroulement du stator, et cette chute de tension ne peut pas être ignorée et doit être compensée en augmentant la tension d'alimentation Vs. Cela indique que dans cette région, le profil de rapport V / Hz n'est pas une fonction linéaire. Nous pouvons évaluer analytiquement la fréquence de coupure fc pour des tensions statoriques appropriées à l'aide du circuit équivalent en régime permanent ayant Rs ≠ 0.
• Dans la région fc-r (nominale) Hz, il est capable d'exécuter une relation Vs / Hz constante, dans ce cas la pente de la relation signifie la quantité de flux d'air .
• Dans la région au-delà de f (nominale), fonctionnant à des fréquences plus élevées, il devient impossible d'effectuer le rapport Vs / f à taux constant, car dans cette position, la tension du stator a tendance à se restreindre à la valeur f (nominale). Cela permet de s'assurer que l'enroulement du stator n'est pas soumis à une rupture d'isolation. En raison de cette situation, le flux d'entrefer résultant a tendance à être compromis et réduit, ce qui entraîne une diminution correspondante du couple du rotor. Cette phase opérationnelle des moteurs asynchrones est appelée 'Région qui affaiblit le champ' . Pour éviter ce genre de situation, une règle V / Hz constante n'est généralement pas respectée dans ces plages de fréquences.

En raison de la présence d'un flux magnétique statorique constant quel que soit le changement de fréquence dans l'enroulement du stator, le couple sur le rotor ne doit désormais compter que sur la vitesse de glissement, cet effet peut être vu dans le figure 5 au dessus de

Avec une régulation de vitesse de glissement appropriée, la vitesse d'un moteur à induction pourrait être efficacement contrôlée avec le couple sur la charge du rotor en employant un principe V / Hz constant.

Par conséquent, qu'il s'agisse d'un mode de contrôle de vitesse ouvert ou en boucle fermée, les deux pourraient être mis en œuvre en utilisant la règle V / Hz constante.

Un mode de contrôle en boucle ouverte pourrait être utilisé dans des applications où la précision du contrôle de la vitesse peut ne pas être un facteur important, comme dans les unités HVAC ou les appareils de type ventilateur et soufflante. Dans de tels cas, la fréquence de la charge est déterminée en se référant au niveau de vitesse requis du moteur, et la vitesse du rotor devrait suivre approximativement la vitesse synchrone instantanée. Toute forme de différence de vitesse résultant du glissement du moteur est généralement ignorée et acceptée dans de telles applications.

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