I. Scopul și semnificația măsurării inductanței sincrone
(1) Scopul măsurării parametrilor inductanței sincrone (adică inductanța pe axe transversale)
Parametrii inductanței de curent alternativ și continuu sunt cei mai importanți doi parametri într-un motor sincron cu magneți permanenți. Achiziționarea lor precisă este premisa și fundamentul pentru calculul caracteristicilor motorului, simularea dinamică și controlul vitezei. Inductanța sincronă poate fi utilizată pentru a calcula multe proprietăți în regim staționar, cum ar fi factorul de putere, eficiența, cuplul, curentul de armătură, puterea și alți parametri. În sistemul de control al motorului cu magneți permanenți care utilizează control vectorial, parametrii inductorului sincron sunt implicați direct în algoritmul de control, iar rezultatele cercetărilor arată că, în regiunea magnetică slabă, inexactitatea parametrilor motorului poate duce la o reducere semnificativă a cuplului și a puterii. Acest lucru demonstrează importanța parametrilor inductorului sincron.
(2) Probleme de remarcat la măsurarea inductanței sincrone
Pentru a obține o densitate de putere mare, structura motoarelor sincrone cu magneți permanenți este adesea proiectată pentru a fi mai complexă, iar circuitul magnetic al motorului este mai saturat, ceea ce duce la variația parametrului inductanței sincrone a motorului odată cu saturația circuitului magnetic. Cu alte cuvinte, parametrii se vor modifica odată cu condițiile de funcționare ale motorului, iar parametrii inductanței sincrone nu pot reflecta cu exactitate natura parametrilor motorului în condițiile nominale de funcționare. Prin urmare, este necesar să se măsoare valorile inductanței în diferite condiții de funcționare.
2. Metode de măsurare a inductanței sincrone a motorului cu magneți permanenți
Această lucrare prezintă diverse metode de măsurare a inductanței sincrone și face o comparație și o analiză detaliată a acestora. Aceste metode pot fi clasificate aproximativ în două tipuri principale: testare cu sarcină directă și testare statică indirectă. Testarea statică este împărțită în continuare în testare statică de curent alternativ și testare statică de curent continuu. Astăzi, prima parte a „Metodelor de testare a inductoarelor sincrone” va explica metoda de testare cu sarcină.
Literatura de specialitate [1] introduce principiul metodei sarcinii directe. Motoarele cu magneți permanenți pot fi de obicei analizate utilizând teoria dublei reacții pentru a analiza funcționarea lor în sarcină, iar diagramele de fază ale funcționării generatorului și motorului sunt prezentate în Figura 1 de mai jos. Unghiul de putere θ al generatorului este pozitiv cu E0 depășind U, unghiul factorului de putere φ este pozitiv cu I depășind U, iar unghiul factorului de putere intern ψ este pozitiv cu E0 depășind I. Unghiul de putere θ al motorului este pozitiv cu U depășind E0, unghiul factorului de putere φ este pozitiv cu U depășind I, iar unghiul factorului de putere intern ψ este pozitiv cu I depășind E0.
Fig. 1 Diagrama de fază a funcționării motorului sincron cu magneți permanenți
(a) Starea generatorului (b) Starea motorului
Conform acestei diagrame de fază se poate obține: atunci când motorul cu magneți permanenți funcționează cu sarcină, se măsoară forța electromotoare de excitație în gol E0, tensiunea la bornele armăturii U, curentul I, unghiul factorului de putere φ și unghiul de putere θ și așa mai departe, se poate obține curentul armăturii pe axa dreaptă, componenta transversală Id = Isin (θ - φ) și Iq = Icos (θ - φ), atunci Xd și Xq pot fi obținute din următoarea ecuație:
Când generatorul funcționează:
Xd=[E0-Ucosθ-IR1cos(θ-φ)]/Id (1)
Xq=[Usinθ+IR1sin(θ-φ)]/Iq (2)
Când motorul funcționează:
Xd=[E0-Ucosθ+IR1cos(θ-φ)]/Id (3)
Xq=[Usinθ-IR1sin(θ-φ)]/Iq (4)
Parametrii în regim staționar ai motoarelor sincrone cu magneți permanenți se modifică odată cu modificarea condițiilor de funcționare ale motorului, iar atunci când curentul de armătură se modifică, se modifică atât Xd, cât și Xq. Prin urmare, atunci când determinați parametrii, asigurați-vă că indicați și condițiile de funcționare ale motorului. (Cantitatea curentului alternativ și continuu la arbore sau curentul statoric și unghiul factorului de putere intern)
Principala dificultate în măsurarea parametrilor inductivi prin metoda sarcinii directe constă în măsurarea unghiului de putere θ. După cum știm, este vorba de diferența de unghi de fază dintre tensiunea U la bornele motorului și forța electromotoare de excitație. Când motorul funcționează stabil, tensiunea finală poate fi obținută direct, dar E0 nu poate fi obținută direct, așadar poate fi obținută doar printr-o metodă indirectă pentru a obține un semnal periodic cu aceeași frecvență ca E0 și o diferență de fază fixă care să înlocuiască E0, pentru a face o comparație de fază cu tensiunea finală.
Metodele indirecte tradiționale sunt:
1) În fanta armăturii motorului testat, se folosește un pas îngropat și mai multe spire de sârmă fină pe bobina originală a motorului ca bobină de măsurare, pentru a obține aceeași fază cu semnalul de comparare a tensiunii de testare a înfășurării motorului, prin compararea unghiului factorului de putere se poate obține.
2) Instalați un motor sincron pe arborele motorului testat, identic cu motorul testat. Metoda de măsurare a fazei tensiunii [2], care va fi descrisă mai jos, se bazează pe acest principiu. Schema de conectare experimentală este prezentată în Figura 2. TSM este motorul sincron cu magnet permanent testat, ASM este un motor sincron identic, necesar suplimentar, PM este motorul principal, care poate fi fie un motor sincron, fie un motor de curent continuu, B este frâna, iar DBO este un osciloscop cu fascicul dublu. Fazele B și C ale TSM și ASM sunt conectate la osciloscop. Când TSM este conectat la o sursă de alimentare trifazată, osciloscopul primește semnalele VTSM și E0ASM. Deoarece cele două motoare sunt identice și se rotesc sincron, potențialul invers la mers în gol al TSM-ului testerului și potențialul invers la mers în gol al ASM-ului, care acționează ca generator, E0ASM, sunt în fază. Prin urmare, se poate măsura unghiul de putere θ, adică diferența de fază dintre VTSM și E0ASM.
Fig. 2 Schemă experimentală de conectare pentru măsurarea unghiului de putere
Această metodă nu este foarte frecvent utilizată, în principal deoarece: ① motorul sincron mic sau transformatorul rotativ montat pe arborele rotorului care trebuie măsurat are două capete extinse ale arborelui, ceea ce este adesea dificil de realizat. ② Precizia măsurării unghiului de putere depinde în mare măsură de conținutul ridicat de armonice al VTSM și E0ASM, iar dacă conținutul de armonice este relativ mare, precizia măsurării va fi redusă.
3) Pentru a îmbunătăți precizia testului unghiului de putere și ușurința în utilizare, acum se utilizează mai mult senzori de poziție pentru a detecta semnalul de poziție al rotorului și apoi se compară faza cu tensiunea finală.
Principiul de bază este de a instala un disc fotoelectric proiectat sau reflectat pe arborele motorului sincron cu magnet permanent măsurat, numărul de găuri uniform distribuite pe disc sau markeri alb-negri și numărul de perechi de poli ai motorului sincron testat fiind determinate. Când discul se rotește o rotație cu motorul, senzorul fotoelectric primește p semnale de poziție a rotorului și generează p impulsuri de joasă tensiune. Când motorul funcționează sincron, frecvența acestui semnal de poziție a rotorului este egală cu frecvența tensiunii terminale a armăturii, iar faza sa reflectă faza forței electromotoare de excitație. Semnalul impulsului de sincronizare este amplificat prin modelare, defazare și tensiunea de armătură a motorului testat pentru compararea fazelor și obținerea diferenței de fază. Când motorul funcționează fără sarcină, diferența de fază este θ1 (aproximativ în acest moment unghiul de putere θ = 0), când funcționează sub sarcină, diferența de fază este θ2, atunci diferența de fază θ2 - θ1 este valoarea unghiului de putere măsurat al motorului sincron cu magnet permanent. Diagrama schematică este prezentată în Figura 3.
Fig. 3 Diagramă schematică a măsurării unghiului de putere
Întrucât discul fotoelectric acoperit uniform cu marcaje albe și negre este mai dificil de măsurat, iar atunci când polii motorului sincron cu magnet permanent sunt măsurați, marcarea simultană a discului nu poate fi comună între ei. Pentru simplitate, se poate testa și arborele de acționare al motorului cu magnet permanent, înfășurat într-un cerc de bandă neagră, acoperit cu un marcaj alb. Lumina reflectorizantă a senzorului fotoelectric este emisă de sursa de lumină adunată în acest cerc pe suprafața benzii. În acest fel, la fiecare rotație a motorului, senzorul fotoelectric primește lumină reflectată și conductivă în tranzistorul fotosensibil, rezultând un semnal impulsiv electric. După amplificare și modelare, se obține un semnal de comparație E1. De la capătul înfășurării armăturii motorului de testare, orice tensiune bifazată este trimisă de transformatorul de tensiune PT la o tensiune joasă către comparatorul de tensiune, formând un semnal impulsiv de tensiune U1 reprezentativ pentru faza dreptunghiulară. Semnalul impulsiv de tensiune U1 este transformat prin compararea frecvenței cu diviziune p a comparatorului de fază cu comparatorul de fază. U1 prin frecvența diviziunii p, prin comparatorul de fază pentru a compara diferența sa de fază cu semnalul.
Dezavantajul metodei de măsurare a unghiului de putere menționate mai sus este că trebuie făcută diferența dintre cele două măsurători pentru a obține unghiul de putere. Pentru a evita scăderea celor două mărimi și reducerea preciziei, la măsurarea diferenței de fază a sarcinii θ2, inversarea semnalului U2, diferența de fază măsurată este θ2'=180° - θ2, unghiul de putere θ=180° - (θ1 + θ2'), ceea ce transformă cele două mărimi din scăderea fazei în adunare. Diagrama mărimii de fază este prezentată în Fig. 4.
Fig. 4 Principiul metodei de adunare a fazelor pentru calcularea diferenței de fază
O altă metodă îmbunătățită nu utilizează diviziunea frecvenței semnalului de formă de undă dreptunghiulară de tensiune, ci utilizează un microcomputer pentru a înregistra simultan forma de undă a semnalului, respectiv, prin interfața de intrare, înregistrează formele de undă ale semnalului de tensiune fără sarcină și de poziție a rotorului U0, E0, precum și semnalele de formă de undă dreptunghiulară de tensiune de sarcină și de poziție a rotorului U1, E1, și apoi deplasează formele de undă ale celor două înregistrări una față de cealaltă până când formele de undă ale celor două semnale de formă de undă dreptunghiulară de tensiune se suprapun complet, când diferența de fază dintre cele două semnale de poziție a rotorului este unghiul de putere; sau deplasează forma de undă astfel încât cele două forme de undă ale semnalului de poziție a rotorului coincid, atunci diferența de fază dintre cele două semnale de tensiune este unghiul de putere.
Trebuie subliniat faptul că, în funcționarea efectivă fără sarcină a motorului sincron cu magneți permanenți, unghiul de putere nu este zero, în special pentru motoarele mici, deoarece pierderile la funcționarea fără sarcină (inclusiv pierderile de cupru la stator, pierderile de fier, pierderile mecanice, pierderile de parazit) sunt relativ mari. Dacă se consideră că unghiul de putere la funcționarea fără sarcină este zero, se va produce o eroare mare în măsurarea unghiului de putere, ceea ce poate fi utilizat pentru a face ca motorul de curent continuu să funcționeze în starea motorului, direcția de direcție și direcția motorului de testare să fie consecvente. Motorul de curent continuu poate funcționa în aceeași stare cu direcția motorului de testare, putând fi folosit ca motor de curent continuu ca motor de testare. Acest lucru poate face ca motorul de curent continuu să funcționeze în starea motorului, direcția și direcția motorului de testare să fie consecvente cu motorul de curent continuu pentru a furniza toate pierderile la arborele motorului de testare (inclusiv pierderile de fier, pierderile mecanice, pierderile de parazit etc.). Metoda de evaluare este aceea că puterea de intrare a motorului de testare este egală cu consumul de cupru la stator, adică P1 = pCu, iar tensiunea și curentul sunt în fază. De data aceasta, θ1 măsurat corespunde unghiului de putere zero.
Rezumat: avantajele acestei metode:
① Metoda de încărcare directă poate măsura inductanța de saturație în stare staționară sub diferite stări de sarcină și nu necesită o strategie de control, fiind intuitivă și simplă.
Deoarece măsurarea se face direct sub sarcină, se poate lua în considerare efectul de saturație și influența curentului de demagnetizare asupra parametrilor inductanței.
Dezavantaje ale acestei metode:
① Metoda de încărcare directă necesită măsurarea mai multor mărimi simultan (tensiune trifazată, curent trifazat, unghiul factorului de putere etc.), măsurarea unghiului de putere este mai dificilă, iar precizia testării fiecărei mărimi are un impact direct asupra preciziei calculelor parametrilor, fiind ușor de acumulat tot felul de erori în testul parametrilor. Prin urmare, atunci când se utilizează metoda de încărcare directă pentru măsurarea parametrilor, trebuie acordată atenție analizei erorilor și trebuie selectată o precizie mai mare a instrumentului de testare.
② Valoarea forței electromotoare de excitație E0 în această metodă de măsurare este înlocuită direct de tensiunea la bornele motorului în gol, iar această aproximare generează și erori inerente. Deoarece punctul de funcționare al magnetului permanent se modifică odată cu sarcina, ceea ce înseamnă că la curenți statorici diferiți, permeabilitatea și densitatea fluxului magnetului permanent sunt diferite, deci și forța electromotoare de excitație rezultată este diferită. În acest fel, nu este foarte precis să se înlocuiască forța electromotoare de excitație în condiții de sarcină cu forța electromotoare de excitație în gol.
Referințe
[1] Tang Renyuan și colab. Teoria și proiectarea motoarelor moderne cu magneți permanenți. Beijing: Machinery Industry Press. Martie 2011
[2] JF Gieras, M. Wing. Tehnologia, proiectarea și aplicațiile motoarelor cu magneți permanenți, ediția a 2-a. New York: Marcel Dekker, 2002:170~171
Drepturi de autor: Acest articol este o retipărire a linkului original al numărului public WeChat (电机极客)https://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A
Acest articol nu reprezintă opiniile companiei noastre. Dacă aveți opinii sau puncte de vedere diferite, vă rugăm să ne corectați!
Data publicării: 18 iulie 2024