Controllo della velocità di motori a induzione

Il controllo della velocità di motori a induzione è un processo di manipolazione delle correnti in un motore a induzione volto a regolarne la velocità. Sebbene siano spesso utilizzati in applicazioni a frequenza fissa, i motori a induzione sono comunemente utilizzati per applicazioni a frequenza variabile, come gli azionamenti industriali e i veicoli elettrici. Per il funzionamento a frequenza variabile, un inverter modula la corrente agli avvolgimenti dello statore.

I motori a induzione funzionano mediante un accoppiamento di campi magnetici nello statore e nel rotore. Le correnti nello statore producono un campo magnetico rotante che induce correnti e un campo magnetico in ritardo nel rotore. L’interazione del campo magnetico fa girare il rotore a una velocità angolare inferiore alla velocità di rotazione del campo statorico. Questo ritardo di rotazione, chiamato scorrimento, fornisce la coppia all’albero del motore. L’aumento del carico sul motore aumenterà lo scorrimento e la potenza della coppia del motore.

Per  un motore a induzione a gabbia di scoiattolo, il controllo della velocità mediante il controllo Field-Oriented (FOC) regola I_d e I_q in modo tale che il flusso sia proporzionale a I_d e che la coppia sia proporzionale a I_q. Questo approccio aumenta il range di velocità e migliora le prestazioni dinamiche e dello stato stazionario. Simulink^® consente di utilizzare la simulazione a più velocità per progettare, regolare e verificare gli algoritmi FOC nell’intera gamma operativa del motore prima dei test hardware.

Questo diagramma di Simulink illustra un tipico algoritmo FOC per il controllo della velocità di un motore a induzione trifase a gabbia di scoiattolo.

I componenti principali delle strategie di controllo di motori a induzione includono:

• Loop interno (Proporzionale-Integrale o PI)
  • Controllo della corrente sull’asse q: regola la corrente sull’asse q per controllare la coppia elettrica applicata al motore
  • Controllo della corrente sull’asse d: per il controllo dell’indebolimento di campo, regola la corrente per ridurre il flusso sull’asse d e consentire al motore di ruotare oltre la sua velocità di base a scapito della coppia
• Loop esterno (PI): loop di controllo della velocità dei motori a induzione. Questo loop ha una frequenza di campionamento più lenta rispetto al loop interno (controllo delle correnti) e genera un setpoint di coppia. Il setpoint viene elaborato per creare il riferimento di corrente sull’asse d e sull’asse q per il loop interno
• Trasformata di Clarke, di Park e di Park inversa: consentono la conversione tra sistemi sincroni stazionari e rotanti
• Stima della velocità di scorrimento: poiché i motori a induzione sono asincroni, lo scorrimento tra la frequenza dello statore e del rotore viene stimato per calcolare la velocità sincrona e la posizione del rotore
• Modulazione vettoriale (SVM): genera impulsi modulati per controllare gli interruttori dell’elettronica di potenza nell’inverter
• Sensore di velocità: la velocità del motore a induzione può essere misurata utilizzando un encoder di quadratura o altro sensore. Per il controllo senza sensori di un motore a induzione, un algoritmo basato su osservatori sostituisce il sensore fisico e stima la velocità del motore in tempo reale.

Simscape Electrical™ e Motor Control Blockset™ forniscono esempi di motori a induzione e controllo Field-Oriented di sviluppo di modelli di simulazione per il controllo della velocità di motori a induzione. La simulazione del controllo della velocità di motori a induzione con Simulink contribuisce a ridurre i test di prototipi e consente di verificare la robustezza degli algoritmi di controllo in condizioni di guasto che non sono pratiche da testare sull’hardware.

Con Simscape Electrical e Motor Control Blockset, gli ingegneri del controllo motori sviluppano il controllo della velocità di motori a induzione mediante:

• Modellazione di motori a induzione, inverter e controller di velocità e corrente
• Regolazione automatica dei guadagni dei loop di controllo della velocità di motori a induzione con tecniche di progettazione del controllo
• Progettazione di algoritmi basati su osservatori per la stima della posizione e della velocità del rotore.
• Simulazione delle modalità di avvio, arresto e guasto e progettazione della logica di derating e protezione per garantire un funzionamento sicuro
• Esecuzione di simulazioni a circuito chiuso del motore e del controller per testare le prestazioni di sistema in scenari di funzionamento normale e anormale
• Generazione di HDL e codice C ANSI, ISO o ottimizzato per i processori dal modello per prototipazione rapida, test Hardware-In-the-Loop e implementazione della produzione