I. Cel i znaczenie pomiaru indukcyjności synchronicznej
(1) Cel pomiaru parametrów indukcyjności synchronicznej (tj. indukcyjności poprzecznej)
Parametry indukcyjności prądu przemiennego i stałego to dwa najważniejsze parametry silnika synchronicznego z magnesami trwałymi. Ich dokładne zebranie jest warunkiem wstępnym i podstawą obliczeń charakterystyki silnika, symulacji dynamicznej i sterowania prędkością. Indukcyjność synchroniczną można wykorzystać do obliczenia wielu właściwości w stanie ustalonym, takich jak współczynnik mocy, sprawność, moment obrotowy, prąd twornika, moc i inne parametry. W układzie sterowania silnikiem z magnesami trwałymi przy sterowaniu wektorowym parametry cewki synchronicznej są bezpośrednio powiązane z algorytmem sterowania, a wyniki badań pokazują, że w słabym obszarze magnetycznym niedokładność parametrów silnika może prowadzić do znacznego zmniejszenia momentu obrotowego i moc. To pokazuje znaczenie parametrów cewki synchronicznej.
(2)Problemy, na które należy zwrócić uwagę przy pomiarze indukcyjności synchronicznej
Aby uzyskać dużą gęstość mocy, często projektuje się bardziej złożoną konstrukcję silników synchronicznych z magnesami trwałymi, a obwód magnetyczny silnika jest bardziej nasycony, co powoduje, że parametr indukcyjności synchronicznej silnika zmienia się wraz z nasyceniem obwód magnetyczny. Innymi słowy, parametry będą się zmieniać wraz z warunkami pracy silnika, całkowicie przy znamionowych warunkach pracy parametry indukcyjności synchronicznej nie mogą dokładnie odzwierciedlać charakteru parametrów silnika. Dlatego konieczne jest mierzenie wartości indukcyjności w różnych warunkach pracy.
2. Metody pomiaru indukcyjności synchronicznej silników z magnesami trwałymi
W artykule zebrano różne metody pomiaru indukcyjności synchronicznej oraz dokonano ich szczegółowego porównania i analizy. Metody te można z grubsza podzielić na dwa główne typy: test bezpośredniego obciążenia i pośredni test statyczny. Testy statyczne dzielą się dalej na testy statyczne AC i testy statyczne DC. Dzisiaj w pierwszej części naszych „Metod testowania cewki synchronicznej” wyjaśnimy metodę testu obciążenia.
Literatura [1] wprowadza zasadę metody obciążenia bezpośredniego. Silniki z magnesami trwałymi można zwykle analizować za pomocą teorii podwójnej reakcji do analizy ich działania pod obciążeniem, a diagramy fazowe działania generatora i silnika pokazano na rysunku 1 poniżej. Kąt mocy θ generatora jest dodatni, gdy E0 przekracza U, kąt współczynnika mocy φ jest dodatni, gdy I przekracza U, a kąt wewnętrznego współczynnika mocy ψ jest dodatni, gdy E0 przekracza I. Kąt mocy θ silnika jest dodatni, gdy U przekracza E0, kąt współczynnika mocy φ jest dodatni, gdy U przekracza I, a wewnętrzny kąt współczynnika mocy ψ jest dodatni, gdy I przekracza E0.
Rys. 1 Schemat fazowy pracy silnika synchronicznego z magnesami trwałymi
(a) Stan generatora (b) Stan silnika
Zgodnie z tym diagramem fazowym można uzyskać: podczas pracy silnika z magnesami trwałymi przy obciążeniu, zmierzoną siłę elektromotoryczną wzbudzenia bez obciążenia E0, napięcie na zaciskach twornika U, prąd I, kąt współczynnika mocy φ i kąt mocy θ itd., można uzyskać twornik prąd osi prostej, składowa poprzeczna Id = Isin (θ - φ) i Iq = Icos (θ - φ), wówczas Xd i Xq można otrzymać z poniższego równania:
Gdy generator pracuje:
Xd=[E0-Ucosθ-IR1cos(θ-φ)]/Id (1)
Xq=[Usinθ+IR1sin(θ-φ)]/Iq (2)
Gdy silnik pracuje:
Xd=[E0-Ucosθ+IR1cos(θ-φ)]/Id (3)
Xq=[Usinθ-IR1sin(θ-φ)]/Iq (4)
Parametry stanu ustalonego silników synchronicznych z magnesami trwałymi zmieniają się wraz ze zmianą warunków pracy silnika, a gdy zmienia się prąd twornika, zmieniają się zarówno Xd, jak i Xq. Dlatego przy ustalaniu parametrów należy koniecznie wskazać również warunki pracy silnika. (Ilość prądu przemiennego i stałego na wale lub stojanie oraz kąt wewnętrznego współczynnika mocy)
Główna trudność przy pomiarze parametrów indukcyjnych metodą obciążenia bezpośredniego polega na pomiarze kąta mocy θ. Jak wiemy, jest to różnica kąta fazowego pomiędzy napięciem na zaciskach silnika U a siłą elektromotoryczną wzbudzenia. Gdy silnik pracuje stabilnie, napięcie końcowe można uzyskać bezpośrednio, ale E0 nie można uzyskać bezpośrednio, dlatego można je uzyskać jedynie metodą pośrednią, aby uzyskać sygnał okresowy o tej samej częstotliwości co E0 i stałą różnicę faz w celu zastąpienia E0 w celu porównania fazy z napięciem końcowym.
Tradycyjne metody pośrednie to:
1) w szczelinie twornika badanego silnika zakopany skok i pierwotną cewkę silnika z kilku zwojów cienkiego drutu jako cewkę pomiarową, w celu uzyskania tej samej fazy z uzwojeniem silnika pod sygnałem porównania napięcia testowego, poprzez porównanie można uzyskać kąt współczynnika mocy.
2) Zamontować silnik synchroniczny na wale badanego silnika, identyczny z badanym silnikiem. Na tej zasadzie opiera się metoda pomiaru fazy napięcia [2], która zostanie opisana poniżej. Eksperymentalny schemat połączeń pokazano na rysunku 2. TSM to badany silnik synchroniczny z magnesami trwałymi, ASM to identyczny silnik synchroniczny, który jest dodatkowo wymagany, PM to główny napęd, którym może być silnik synchroniczny lub silnik prądu stałego silnik, B to hamulec, a DBO to oscyloskop z podwójną wiązką. Fazy B i C TSM i ASM są podłączone do oscyloskopu. Po podłączeniu TSM do zasilania trójfazowego oscyloskop odbiera sygnały VTSM i E0ASM. ponieważ oba silniki są identyczne i obracają się synchronicznie, potencjał wsteczny bez obciążenia TSM testera i potencjał wsteczny bez obciążenia ASM, który działa jak generator, E0ASM, są w fazie. Dzięki temu można zmierzyć kąt mocy θ, czyli różnicę fazową pomiędzy VTSM i E0ASM.
Rys. 2 Eksperymentalny schemat połączeń do pomiaru kąta mocy
Metoda ta nie jest zbyt powszechnie stosowana, głównie dlatego, że: ① W wale wirnika zamontowany jest mały silnik synchroniczny lub transformator obrotowy, który wymaga pomiaru. Silnik ma dwa wysunięte końce wału, co często jest trudne do wykonania. ② Dokładność pomiaru kąta mocy zależy w dużej mierze od wysokiej zawartości harmonicznych w VTSM i E0ASM, a jeśli zawartość harmonicznych jest stosunkowo duża, dokładność pomiaru zostanie zmniejszona.
3) Aby poprawić dokładność testu kąta mocy i łatwość użycia, obecnie częściej stosuje się czujniki położenia do wykrywania sygnału położenia wirnika, a następnie porównywanie fazy z podejściem napięcia końcowego
Podstawową zasadą jest zainstalowanie rzutowanego lub odbitego dysku fotoelektrycznego na wale mierzonego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi, liczba równomiernie rozmieszczonych otworów na dysku lub czarno-białych znaczników oraz liczba par biegunów badanego silnika synchronicznego . Gdy dysk wykona jeden obrót wraz z silnikiem, czujnik fotoelektryczny odbiera sygnały położenia wirnika i generuje impulsy niskiego napięcia. Gdy silnik pracuje synchronicznie, częstotliwość tego sygnału położenia wirnika jest równa częstotliwości napięcia na zaciskach twornika, a jego faza odzwierciedla fazę siły elektromotorycznej wzbudzenia. Sygnał impulsu synchronizacji jest wzmacniany poprzez kształtowanie, przesunięcie fazowe i testowe napięcie twornika silnika w celu porównania faz i uzyskania różnicy faz. Ustawia się, gdy silnik pracuje bez obciążenia, różnica faz wynosi θ1 (w przybliżeniu, że w tym momencie kąt mocy θ = 0), gdy obciążenie pracuje, różnica faz wynosi θ2, wówczas mierzona jest różnica faz θ2 - θ1 Wartość kąta obciążenia silnika synchronicznego z magnesami trwałymi. Schemat ideowy pokazano na rysunku 3.
Rys. 3 Schemat ideowy pomiaru kąta mocy
Podobnie jak w przypadku dysku fotoelektrycznego równomiernie pokrytego czarno-białym znacznikiem jest to trudniejsze, a przy mierzonych biegunach silnika synchronicznego z magnesami trwałymi jednocześnie znakowanie dysku nie może być ze sobą wspólne. Dla uproszczenia można także przetestować w wałku napędowym silnika z magnesem trwałym owiniętym kręgiem czarnej taśmy, pokrytej białym znacznikiem, odblaskowy czujnik fotoelektryczny źródła światła emitowanego przez światło zebrane w tym okręgu na powierzchni taśmy. W ten sposób przy każdym obrocie silnika czujnik fotoelektryczny w tranzystorze światłoczułym otrzymuje jednorazowo odbite światło i przewodzenie, w wyniku czego powstaje sygnał impulsu elektrycznego, po wzmocnieniu i ukształtowaniu w celu uzyskania sygnału porównawczego E1. od końca uzwojenia twornika silnika testowego dowolnego napięcia dwufazowego, przez przekładnik napięciowy PT do niskiego napięcia, przesłanego do komparatora napięcia, utworzenie reprezentanta fazy prostokątnej sygnału impulsu napięciowego U1. U1 przez częstotliwość podziału p, porównanie komparatora fazowego, aby uzyskać porównanie między fazą i komparatorem fazy. U1 przez częstotliwość podziału p, przez komparator fazy w celu porównania różnicy faz z sygnałem.
Wadą powyższej metody pomiaru kąta mocy jest to, że w celu uzyskania kąta mocy należy dokonać różnicy między dwoma pomiarami. Aby uniknąć odejmowania dwóch wielkości i zmniejszyć dokładność, przy pomiarze różnicy faz obciążenia θ2, odwrócenia sygnału U2, zmierzona różnica faz wynosi θ2'=180° - θ2, kąt mocy θ=180° - ( θ1 + θ2'), który przekształca dwie wielkości z odjęcia fazy na dodanie. Wykres ilości faz pokazano na rys. 4.
Rys. 4 Zasada metody dodawania faz do obliczania różnicy faz
Inna ulepszona metoda nie wykorzystuje podziału częstotliwości sygnału o przebiegu prostokątnym napięcia, lecz wykorzystuje mikrokomputer do jednoczesnej rejestracji przebiegu sygnału odpowiednio przez interfejs wejściowy, rejestracji przebiegów napięcia jałowego i sygnału położenia wirnika U0, E0, a także napięcie obciążenia i położenie wirnika sygnały prostokątne U1, E1, a następnie przesuwaj przebiegi dwóch zapisów względem siebie, aż przebiegi dwóch sygnałów prostokątnych napięcia całkowicie się nałożą, gdy różnica faz pomiędzy dwoma wirnikami różnica faz między dwoma sygnałami położenia wirnika jest kątem mocy; lub przesuń przebieg tak, aby przebiegi dwóch sygnałów położenia wirnika pokrywały się, wówczas różnica faz między dwoma sygnałami napięciowymi jest kątem mocy.
Należy zauważyć, że w przypadku silnika synchronicznego z magnesami trwałymi w rzeczywistej pracy bez obciążenia kąt mocy nie wynosi zero, szczególnie w przypadku małych silników, ze względu na pracę bez obciążenia i utratę obciążenia (w tym utratę miedzi stojana, utratę żelaza, straty mechaniczne, straty błądzące) jest stosunkowo duża, jeśli uważasz, że kąt mocy bez obciążenia wynosi zero, spowoduje to duży błąd w pomiarze kąta mocy, który można wykorzystać do uruchomienia silnika prądu stałego w stanie silnika, kierunku sterowania i badania spójne sterowanie silnikiem, przy sterowaniu silnikiem prądu stałego silnik prądu stałego może pracować w tym samym stanie, a silnik prądu stałego może być używany jako silnik testowy. Może to sprawić, że silnik prądu stałego będzie pracował w stanie silnika, a układ kierowniczy i sterowanie silnikiem testowym będą spójne z silnikiem prądu stałego, aby zapewnić wszystkie straty na wale silnika testowego (w tym utratę żelaza, utratę mechaniczną, utratę błądzenia itp.). Metoda oceny polega na tym, że moc wejściowa badanego silnika jest równa zużyciu miedzi stojana, to znaczy P1 = pCu oraz napięciu i prądowi w fazie. Tym razem zmierzone θ1 odpowiada kątowi mocy zerowemu.
Podsumowanie: zalety tej metody:
① Metoda bezpośredniego obciążenia umożliwia pomiar indukcyjności nasycenia w stanie ustalonym w różnych stanach obciążenia i nie wymaga strategii sterowania, która jest intuicyjna i prosta.
Ponieważ pomiar wykonywany jest bezpośrednio pod obciążeniem, można uwzględnić efekt nasycenia oraz wpływ prądu rozmagnesowania na parametry indukcyjności.
Wady tej metody:
① Metoda bezpośredniego obciążenia wymaga jednoczesnego pomiaru większej liczby wielkości (napięcie trójfazowe, prąd trójfazowy, kąt współczynnika mocy itp.), pomiar kąta mocy jest trudniejszy, a dokładność testu każda wielkość ma bezpośredni wpływ na dokładność obliczeń parametrów, a wszelkiego rodzaju błędy w badaniu parametrów łatwo się kumulują. Dlatego stosując metodę bezpośredniego obciążenia do pomiaru parametrów należy zwrócić uwagę na analizę błędów i wybrać większą dokładność przyrządu badawczego.
② Wartość siły elektromotorycznej wzbudzenia E0 w tej metodzie pomiaru jest bezpośrednio zastępowana napięciem na zaciskach silnika bez obciążenia, a to przybliżenie również powoduje nieodłączne błędy. Ponieważ punkt pracy magnesu trwałego zmienia się wraz z obciążeniem, co oznacza, że przy różnych prądach stojana przepuszczalność i gęstość strumienia magnesu trwałego są różne, więc powstająca siła elektromotoryczna wzbudzenia jest również inna. W ten sposób nie jest zbyt dokładne zastąpienie siły elektromotorycznej wzbudzenia w warunkach obciążenia siłą elektromotoryczną wzbudzenia bez obciążenia.
Referencje
[1] Tang Renyuan i in. Nowoczesna teoria i konstrukcja silników z magnesami trwałymi. Pekin: Prasa przemysłu maszynowego. Marzec 2011
[2] JF Gieras, M. Wing. Technologia silników z magnesami trwałymi, projektowanie i zastosowania, wyd. 2. Nowy Jork: Marcel Dekker, 2002: 170 ~ 171
Prawa autorskie: ten artykuł jest przedrukiem podglądu numeru publicznego WeChat (电机极客), oryginalnego linkuhttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A
Artykuł ten nie reprezentuje poglądów naszej firmy. Jeśli masz inne zdanie lub poglądy, popraw nas!
Czas publikacji: 18 lipca 2024 r