Memahami Kontrol Skalar (V / f) untuk Motor Induksi

Pada artikel ini kita akan mencoba untuk memahami bagaimana algoritma kendali skalar diimplementasikan untuk mengendalikan kecepatan motor induksi dengan perhitungan yang relatif mudah, namun mencapai kendali kecepatan variabel linier motor yang cukup baik.

Laporan dari banyak analisis pasar teratas mengungkapkan hal itu motor induksi adalah yang paling populer dalam hal menangani aplikasi dan pekerjaan terkait industri berat. Alasan utama di balik popularitas motor induksi pada dasarnya karena tingkat ketahanannya yang tinggi, keandalan yang lebih besar dalam hal masalah keausan, dan efisiensi fungsional yang relatif tinggi.

Konon, motor induksi memiliki satu kelemahan yang khas, karena tidak mudah dikendalikan dengan metode konvensional biasa. Mengontrol motor induksi relatif menuntut karena konfigurasi matematisnya yang agak rumit, yang terutama mencakup:

• Respon non-linier pada saturasi inti
• Ketidakstabilan dalam bentuk osilasi karena suhu belitan yang bervariasi.

Karena aspek kritis tersebut maka penerapan kendali motor induksi secara optimal menuntut algoritma yang dihitung secara menyeluruh dengan reliabilitas tinggi, misalnya menggunakan metode “vector control”, dan tambahannya menggunakan sistem pemrosesan berbasis mikrokontroler.

Memahami Implementasi Kontrol Skalar

Namun ada metode lain yang dapat diterapkan untuk menerapkan kontrol motor induksi menggunakan konfigurasi yang jauh lebih mudah, yaitu kontrol skalar yang menggabungkan teknik penggerak non-vektor.

Sebenarnya dimungkinkan untuk mengaktifkan motor induksi AC ke kondisi mapan dengan mengoperasikannya dengan umpan balik tegangan langsung dan sistem yang dikendalikan arus.

Dalam metode skalar ini, variabel skalar dapat diubah setelah nilai yang benar tercapai baik dengan bereksperimen secara praktis atau melalui rumus dan perhitungan yang sesuai.

Selanjutnya, pengukuran ini dapat digunakan untuk mengimplementasikan kontrol motor melalui rangkaian loop terbuka atau melalui topologi loop umpan balik tertutup.

Meskipun metode kontrol skalar menjanjikan hasil kondisi tunak yang cukup baik pada motor, respons transiennya mungkin tidak sesuai dengan sasaran.

Bagaimana Motor Induksi Bekerja

Kata 'induksi' pada motor induksi mengacu pada cara unik operasinya di mana magnetisasi rotor oleh belitan stator menjadi aspek penting dari operasi tersebut.

Ketika AC diterapkan melintasi belitan stator, medan magnet osilasi dari belitan stator berinteraksi dengan dinamo rotor menciptakan medan magnet baru pada rotor, yang pada gilirannya bereaksi dengan medan magnet stator yang menyebabkan sejumlah besar torsi rotasi pada rotor. . Torsi rotasi ini menghasilkan keluaran mekanis efektif yang diperlukan ke mesin.

Apa itu Motor Induksi Sangkar Tupai 3-Fasa

Ini adalah varian motor induksi paling populer dan banyak digunakan dalam aplikasi industri. Dalam motor induksi sangkar tupai, rotor membawa serangkaian konduktor seperti batang yang mengelilingi sumbu rotor yang menghadirkan struktur seperti sangkar unik dan karenanya disebut 'sangkar tupai'.

Batang-batang yang bentuknya miring dan mengelilingi sumbu rotor ini dipasang dengan cincin logam yang tebal dan kokoh di ujung jeruji. Cincin logam ini tidak hanya membantu mengamankan palang dengan kuat pada tempatnya tetapi juga menyebabkan korsleting listrik penting di seluruh palang.

Ketika belitan stator diterapkan dengan urutan arus bolak-balik sinusoidal 3 fasa, medan magnet yang dihasilkan juga mulai bergerak dengan kecepatan yang sama dengan frekuensi sinus stator 3 fasa (ωs).

Karena rakitan rotor sangkar tupai ditahan di dalam belitan stator, medan magnet 3 fasa bolak-balik di atas dari belitan stator bereaksi dengan rakitan rotor yang menginduksi medan magnet ekivalen pada konduktor batang rakitan sangkar.

Hal ini memaksa medan magnet sekunder untuk terbentuk di sekitar batang rotor, dan akibatnya medan magnet baru ini dipaksa untuk berinteraksi dengan medan stator, memaksakan torsi rotasi pada rotor yang mencoba mengikuti arah medan magnet stator.

Dalam prosesnya kecepatan rotor berusaha mencapai kecepatan frekuensi stator, dan ketika mendekati kecepatan medan magnet sinkron stator, perbedaan kecepatan relatif e antara kecepatan frekuensi stator dan kecepatan putar rotor mulai berkurang, yang menyebabkan penurunan nilai magnetis. interaksi medan magnet rotor di atas medan magnet stator, yang akhirnya menurunkan torsi pada rotor, dan keluaran daya yang setara dari rotor.

Hal ini menyebabkan daya minimum pada rotor dan pada kecepatan ini dikatakan bahwa rotor telah memperoleh kondisi-mapan, di mana beban pada rotor adalah setara dan sesuai dengan torsi pada rotor.

Cara kerja motor induksi dalam menanggapi suatu beban dapat diringkas seperti yang dijelaskan di bawah ini:

Karena menjadi wajib untuk menjaga perbedaan halus antara kecepatan rotor (poros) dan kecepatan frekuensi stator bagian dalam, kecepatan rotor yang sebenarnya menangani beban, berputar pada kecepatan yang sedikit berkurang daripada kecepatan frekuensi stator. Sebaliknya, jika kita menganggap stator diterapkan dengan supply 50Hz 3 fasa, maka kecepatan sudut frekuensi 50Hz ini melintasi belitan stator akan selalu sedikit lebih tinggi daripada respons dalam kecepatan putar rotor, ini secara inheren dipertahankan untuk memastikan optimal nyalakan rotor.

Apa itu Slip pada Motor Induksi

Perbedaan relatif antara kecepatan sudut stator frekuensi dan kecepatan rotasi responsif rotor disebut sebagai 'slip'. Selip harus ada bahkan dalam situasi di mana motor dioperasikan dengan strategi berorientasi medan.

Karena poros rotor pada motor induksi tidak bergantung pada eksitasi eksternal untuk rotasinya, ia dapat bekerja tanpa cincin atau sikat selip konvensional yang memastikan hampir tidak ada keausan, efisiensi tinggi, namun murah dengan perawatannya.

Faktor torsi pada motor ini ditentukan oleh sudut yang terbentuk antara fluks magnet stator dan rotor.

Melihat diagram di bawah ini, kita dapat melihat bahwa kecepatan rotor ditetapkan sebagai Ω, dan frekuensi melintasi stator dan rotor ditentukan oleh parameter “s” atau slip, disajikan dengan rumus:

s = ( ω s - ω r ) / ω s

Dalam ekspresi di atas, s adalah 'slip' yang menunjukkan perbedaan antara kecepatan frekuensi sinkron stator dan kecepatan motor aktual yang dikembangkan pada poros rotor.

Memahami Teori Kontrol Kecepatan Skalar

Dalam konsep kendali motor induksi dimana V / Hz teknis digunakan, kontrol kecepatan diterapkan dengan mengatur tegangan stator terhadap frekuensi sedemikian rupa sehingga fluks celah udara tidak pernah dapat menyimpang melebihi kisaran yang diharapkan dari kondisi-mapan, dengan kata lain dipertahankan dalam perkiraan kondisi-mapan ini. nilai, dan karenanya juga disebut kontrol skalar metode ini karena teknik ini sangat bergantung pada dinamika kondisi-tunak untuk mengontrol kecepatan motor.

Kita dapat memahami cara kerja konsep ini dengan mengacu pada gambar berikut, yang menunjukkan skema sederhana dari teknik kontrol skalar. Dalam pemasangannya diasumsikan bahwa tahanan stator (Rs) adalah nol, sedangkan Induktansi kebocoran stator (LI) terkesan pada kebocoran rotor dan induktansi magnetisasi (LIr). (LIr) yang sebenarnya menggambarkan besarnya fluks celah udara dapat dilihat telah didorong sebelum induktansi kebocoran total (Ll = Lls + Llr).

Karena itu, fluks celah udara yang diciptakan oleh arus magnetisasi mendapatkan nilai perkiraan yang mendekati rasio frekuensi stator. Dengan demikian ekspresi fasor untuk penilaian kondisi-mapan dapat dituliskan sebagai berikut:

Untuk motor Induksi yang dapat berjalan pada daerah magnet liniernya, Lm tidak akan berubah dan tetap konstan, dalam kasus seperti persamaan di atas dapat dinyatakan sebagai:

Dimana V dan Λ masing-masing adalah nilai tegangan stator dan fluks stator, sedangkan Ṽ mewakili parameter fasor dalam desain.

Ekspresi terakhir di atas dengan jelas menjelaskan bahwa selama rasio V / f dipertahankan konstan terlepas dari setiap perubahan dalam frekuensi input (f), maka fluks juga tetap konstan, yang memungkinkan toque beroperasi tanpa bergantung pada frekuensi tegangan suplai . Itu berarti jika ΛM dipertahankan pada level konstan, rasio Vs / ƒ juga akan diberikan pada kecepatan konstan yang relevan. Oleh karena itu, setiap kali kecepatan motor dinaikkan, tegangan yang melintasi belitan stator juga perlu dinaikkan secara proporsional, sehingga Vs / f yang konstan dapat dipertahankan.

Namun di sini slip menjadi fungsi dari beban yang dipasang pada motor, kecepatan frekuensi sinkron tidak menggambarkan kecepatan motor yang sebenarnya.

Jika tidak ada torsi beban pada rotor, slip resultan mungkin sangat kecil, memungkinkan motor mencapai kecepatan sinkron.

Itulah sebabnya konfigurasi dasar Vs / f atau V / Hz biasanya mungkin tidak memiliki kemampuan untuk menerapkan kontrol kecepatan yang akurat dari motor induksi ketika motor dipasang dengan torsi beban. Namun kompensasi selip dapat dengan mudah dimasukkan ke dalam sistem bersama dengan pengukuran kecepatan.

Representasi grafis yang ditunjukkan di bawah ini dengan jelas menggambarkan sensor kecepatan dalam sistem V / Hz loop tertutup.

Dalam implementasi praktis, biasanya rasio tegangan dan frekuensi stator dapat bergantung pada peringkat parameter itu sendiri.

Menganalisis Kontrol Kecepatan V / Hz

Analisis standar V / Hz dapat disaksikan pada gambar berikut.

Pada dasarnya Anda akan menemukan 3 rentang pemilihan kecepatan dalam profil V / Hz, yang dapat dipahami dari poin-poin berikut:

• Mengacu gambar 4 ketika frekuensi cut off berada di daerah 0-fc, input tegangan menjadi penting, yang mengembangkan potensi penurunan melintasi belitan stator, dan penurunan tegangan ini tidak dapat diabaikan dan perlu dikompensasikan dengan meningkatkan tegangan suplai Vs. Hal ini menunjukkan bahwa di wilayah ini profil rasio V / Hz bukanlah fungsi linier. Kita dapat secara analitis mengevaluasi frekuensi cut off fc untuk tegangan stator yang sesuai dengan bantuan rangkaian ekivalen keadaan tunak yang memiliki Rs ≠ 0.
• Di wilayah fc-r (terukur) Hz, ia mampu mengeksekusi hubungan Vs / Hz konstan, dalam hal ini kemiringan hubungan menandakan jumlah fluks celah udara .
• Pada daerah di luar f (terukur), yang berjalan pada frekuensi yang lebih tinggi, menjadi tidak mungkin untuk menjalankan rasio Vs / f pada laju konstan, karena pada posisi ini tegangan stator cenderung dibatasi pada nilai f (terukur). Hal ini dilakukan untuk memastikan bahwa belitan stator tidak mengalami gangguan isolasi. Karena situasi ini, fluks celah udara yang dihasilkan cenderung berkompromi dan berkurang, yang menyebabkan penurunan torsi rotor. Fase operasional pada motor induksi ini disebut sebagai “Wilayah yang melemah” . Untuk mencegah situasi seperti ini, biasanya aturan V / Hz konstan tidak ditaati dalam rentang frekuensi ini.

Karena adanya fluks magnet stator konstan terlepas dari perubahan frekuensi pada belitan staor, toque pada rotor sekarang hanya harus bergantung pada kecepatan slip, efek ini dapat dilihat pada gambar 5 atas

Dengan pengaturan kecepatan selip yang tepat, kecepatan motor induksi dapat dikontrol secara efektif bersama dengan torsi pada beban rotor dengan menggunakan prinsip V / Hz konstan.

Oleh karena itu, apakah itu mode kontrol kecepatan loop terbuka atau tertutup, keduanya dapat diimplementasikan menggunakan aturan V / Hz konstan.

Mode kontrol loop terbuka dapat digunakan dalam aplikasi di mana akurasi kontrol kecepatan mungkin bukan faktor penting, seperti pada unit HVAC, atau peralatan seperti kipas dan blower. Dalam kasus seperti itu frekuensi ke beban ditemukan dengan mengacu pada tingkat kecepatan motor yang diperlukan, dan kecepatan rotor diharapkan kira-kira mengikuti kecepatan sinkron sesaat. Segala bentuk ketidaksesuaian dalam kecepatan yang timbul dari selip pada umumnya diabaikan dan diterima dalam aplikasi semacam itu.

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