Flux-weakening Control for Three-phase Induction Motors

Abstract

Three-phase induction motors are extensively applied in various industries, including component manufacturing and power generation systems, due to their reliability and efficiency. Most modern induction motor drives utilize vector control methods, which are well regarded for their high performance and responsiveness to reference changes. However, in high-speed applications such as electric vehicles and aerospace systems, flux-weakening control plays a crucial role in enabling the motor to operate beyond its base speed under current and voltage constraints.

The vector-controlled induction motor drive system requires efficient current and speed controllers, as these components significantly impact the overall system performance, particularly in minimizing torque ripple and current ripple. While flux-weakening control techniques are essential for induction motor drives, existing methods vary significantly in their complexity and limitations. This research investigates and proposes advanced flux-weakening control strategies for three-phase induction motors, focusing on enhancing performance and stability across all speed ranges. The study also evaluates the effectiveness of current and speed controller designs to reduce ripple effects and improve stability, assesses the impact of voltage controller gain settings, and compares the performance of various flux-weakening control methods.

The proposed flux-weakening control method has demonstrated its capability to stabilize the three-phase induction motor drive system in high-speed regions under voltage and current constraints. The design process was thoroughly tested through simulations under diverse operating conditions. Results show that the proposed method improves flux-weakening control accuracy and mitigates instability issues effectively. This research offers practical applications in precision drive systems such as electric vehicles and renewable energy systems. Moreover, it provides significant insights into the development of advanced drive technologies to meet industrial demands for efficiency, reliability, and sustainability.

มอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำสามเฟสถูกนำมาประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิตชิ้นส่วน รวมไปถึงต้นกำลังหลักในการผลิตพลังงาน ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำสามเฟสในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้วิธีการควบคุมเวกเตอร์ซึ่งเป็นวิธีการควบคุมที่มีความน่าเชื่อถือในเรื่องประสิทธิภาพการทำงาน และสามารถตอบสนองต่อการทำงานติดตามค่าอ้างอิงที่เปลี่ยนแปลงได้ดี อย่างไรก็ตาม ในการประยุกต์ใช้งานที่ความเร็วรอบสูง อาทิ ในยานยนต์ไฟฟ้าและระบบอากาศยาน วิธีการควบคุมฟลักซ์อ่อนตัวจึงมีบทบาทสำคัญในการทำให้ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำสามารถทำงานในย่านความเร็วรอบสูงเกินกว่าความเร็วรอบพิกัด ภายใต้ข้อจำกัดกระแสและแรงดันไฟฟ้า

ทั้งนี้ ยังคงมีประเด็นสำคัญในการพิจารณาเนื่องจากระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำบนพื้นฐานการควบคุมเวกเตอร์นั้น จำเป็นต้องอาศัยตัวควบคุมกระแสและตัวควบคุมความเร็วรอบที่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากตัวควบคุมกระแสและความเร็วรอบส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพโดยรวมของระบบขับเคลื่อน อาทิเช่น แรงบิดกระเพื่อม และกระแสกระเพื่อม นอกจากนี้ วิธีการควบคุมฟลักซ์อ่อนตัวซึ่งเป็นวิธีการที่มีความสำคัญเป็นอย่างยิ่งในการวิจัยด้านระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำ อย่างไรก็ตาม เทคนิคการควบคุมฟลักซ์อ่อนตัวที่มีในปัจจุบันนั้นมีความหลากหลาย ซึ่งแต่ละวิธีมีข้อจำกัดและความยากง่ายในการนำไปประยุกต์ใช้แตกต่างกัน ดังนั้น งานวิจัยนี้จึงวิเคราะห์และนำเสนอแนวทางการควบคุมฟลักซ์อ่อนตัวสำหรับมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำสามเฟส โดยมุ่งเน้นการเพิ่มประสิทธิภาพและเสถียรภาพในการทำงานของระบบขับเคลื่อนในทุกย่านความเร็วรอบ พิจารณาการออกแบบตัวควบคุมกระแสและความเร็วรอบที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อลดการกระเพื่อมในแรงบิดและกระแส พร้อมทั้งปรับปรุงวิธีการควบคุมฟลักซ์ให้สามารถทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพในทุกย่านการทำงานและมีความถูกต้องตามทฤษฎี พิจารณาผลกระทบจากการเลือกค่าอัตราขยายสำหรับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า และพิจารณาเปรียบเทียบประสิทธิภาพของวิธีการควบคุมฟลักซ์อ่อนตัว

ผลการวิจัยพบว่าการควบคุมฟลักซ์อ่อนตัวที่นำเสนอสามารถส่งผลให้ระบบขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าเหนี่ยวนำสามเฟสทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพในย่านความเร็วสูง ภายใต้ข้อจำกัดด้านแรงดันและกระแสไฟฟ้า ทั้งนี้ กระบวนการออกแบบได้รับการทดสอบอย่างละเอียดผ่านการจำลองในสภาวะการทำงานที่หลากหลาย ผลการจำลองแสดงให้เห็นถึงความสำเร็จของวิธีการควบคุมที่นำเสนอ สามารถเพิ่มความแม่นยำในการควบคุมฟลักซ์อ่อนตัว และลดปัญหาการสูญเสียเสถียรภาพของระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ งานวิจัยนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ในระบบขับเคลื่อนที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น ยานยนต์ไฟฟ้า และระบบพลังงานหมุนเวียน นอกจากนี้ ยังเป็นแนวทางสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีขับเคลื่อนที่ทันสมัย เพื่อตอบสนองความต้องการในภาคอุตสาหกรรมได้อย่างมีประสิทธิภาพ