I. Cel i znaczenie pomiaru indukcyjności synchronicznej
(1)Cel pomiaru parametrów indukcyjności synchronicznej (tj. indukcyjności poprzecznej)
Parametry indukcyjności AC i DC to dwa najważniejsze parametry w silniku synchronicznym z magnesami trwałymi. Ich dokładne pozyskanie jest warunkiem wstępnym i podstawą do obliczania charakterystyki silnika, symulacji dynamicznej i sterowania prędkością. Indukcyjność synchroniczna może być używana do obliczania wielu ustalonych właściwości, takich jak współczynnik mocy, sprawność, moment obrotowy, prąd wirnika, moc i inne parametry. W układzie sterowania silnika z magnesami trwałymi wykorzystującym sterowanie wektorowe parametry induktora synchronicznego są bezpośrednio zaangażowane w algorytm sterowania, a wyniki badań pokazują, że w obszarze słabego pola magnetycznego niedokładność parametrów silnika może prowadzić do znacznego zmniejszenia momentu obrotowego i mocy. Pokazuje to znaczenie parametrów induktora synchronicznego.
(2) Problemy, na które należy zwrócić uwagę przy pomiarze indukcyjności synchronicznej
Aby uzyskać wysoką gęstość mocy, struktura silników synchronicznych z magnesami trwałymi jest często projektowana tak, aby była bardziej złożona, a obwód magnetyczny silnika jest bardziej nasycony, co powoduje, że parametr indukcyjności synchronicznej silnika zmienia się wraz z nasyceniem obwodu magnetycznego. Innymi słowy, parametry będą się zmieniać wraz z warunkami pracy silnika, całkowicie przy znamionowych warunkach pracy parametrów indukcyjności synchronicznej nie mogą dokładnie odzwierciedlać natury parametrów silnika. Dlatego konieczne jest zmierzenie wartości indukcyjności w różnych warunkach pracy.
2.Metody pomiaru indukcyjności synchronicznej silnika z magnesami trwałymi
W tym artykule zebrano różne metody pomiaru indukcyjności synchronicznej i szczegółowo je porównano i przeanalizowano. Metody te można podzielić na dwa główne typy: bezpośredni test obciążenia i pośredni test statyczny. Testowanie statyczne dzieli się dalej na testowanie statyczne AC i testowanie statyczne DC. Dzisiaj pierwsza część naszego cyklu „Metody testowania cewek synchronicznych” wyjaśni metodę testowania obciążenia.
Literatura [1] wprowadza zasadę metody bezpośredniego obciążenia. Silniki z magnesami trwałymi można zazwyczaj analizować, stosując teorię podwójnej reakcji do analizy ich pracy obciążeniowej, a diagramy fazowe pracy generatora i silnika pokazano na poniższym rysunku 1. 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 kąt wewnętrznego współczynnika mocy ψ jest dodatni, gdy I przekracza E0.
Rys. 1 Schemat fazowy działania 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, mierzoną bezobsługową siłę elektromotoryczną wzbudzenia E0, napięcie zacisków wirnika U, prąd I, kąt współczynnika mocy φ i kąt mocy θ itd., można uzyskać prąd wirnika na osi prostej, składową poprzeczną Id = Isin (θ - φ) i Iq = Icos (θ - φ), wtedy Xd i Xq można uzyskać z następującego równania:
Gdy generator jest uruchomiony:
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 wirnika, zmieniają się zarówno Xd, jak i Xq. Dlatego przy określaniu parametrów należy również wskazać warunki pracy silnika. (Ilość prądu przemiennego i stałego wału lub prądu stojana i wewnętrzny kąt współczynnika mocy)
Główna trudność pomiaru parametrów indukcyjnych metodą obciążenia bezpośredniego leży w pomiarze kąta mocy θ. Jak wiemy, jest to różnica kątów fazowych między napięciem zacisków silnika U a siłą elektromotoryczną wzbudzenia. Gdy silnik pracuje stabilnie, napięcie końcowe można uzyskać bezpośrednio, ale E0 nie można uzyskać bezpośrednio, więc można je uzyskać tylko metodą pośrednią, aby uzyskać sygnał okresowy o tej samej częstotliwości co E0 i stałą różnicę faz, aby zastąpić E0 w celu porównania faz z napięciem końcowym.
Tradycyjne metody pośrednie to:
1) w gnieździe wirnika testowanego silnika umieszcza się cewkę prądową i oryginalną cewkę silnika składającą się z kilku zwojów cienkiego drutu, pełniących funkcję cewki pomiarowej, w celu uzyskania tej samej fazy z napięciem uzwojenia testowanego silnika, poprzez porównanie kąta współczynnika mocy.
2) Zainstaluj silnik synchroniczny na wale testowanego silnika, który jest identyczny z testowanym silnikiem. Metoda pomiaru fazy napięcia [2], która zostanie opisana poniżej, opiera się na tej zasadzie. Eksperymentalny schemat połączeń pokazano na rysunku 2. TSM to testowany silnik synchroniczny z magnesami trwałymi, ASM to identyczny silnik synchroniczny, który jest dodatkowo wymagany, PM to napęd główny, który może być silnikiem synchronicznym lub silnikiem prądu stałego, B to hamulec, a DBO to oscyloskop dwuwiązkowy. Fazy B i C TSM i ASM są podłączone do oscyloskopu. Gdy TSM jest podłączony 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 jako generator, E0ASM, są w fazie. Dzięki temu można zmierzyć kąt mocy θ, czyli różnicę faz między VTSM i E0ASM.
Rys. 2. Schemat połączeń eksperymentalnych do pomiaru kąta mocy
Ta metoda nie jest zbyt powszechnie stosowana, głównie z następujących powodów: ① w przypadku zamontowanego na wale wirnika małego silnika synchronicznego lub transformatora obrotowego, wymagane jest zmierzenie silnika, który ma dwa wyciągnięte końce wału, co często jest trudne do wykonania. ② Dokładność pomiaru kąta mocy zależy w dużym stopniu od wysokiej zawartości harmonicznych VTSM i E0ASM, a jeśli zawartość harmonicznych jest stosunkowo duża, dokładność pomiaru ulegnie zmniejszeniu.
3) Aby zwiększyć dokładność testu kąta mocy i łatwość obsługi, obecnie częściej stosuje się czujniki położenia w celu wykrycia sygnału położenia wirnika, a następnie porównuje się fazę z podejściem opartym na napięciu końcowym
Podstawową zasadą jest zainstalowanie rzutowanego lub odbitego dysku fotoelektrycznego na wale mierzonego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi, liczby równomiernie rozłożonych otworów na dysku lub czarno-białych znaczników i liczby par biegunów testowanego silnika synchronicznego. Gdy dysk obraca się o jeden obrót z silnikiem, czujnik fotoelektryczny odbiera p sygnałów położenia wirnika i generuje p impulsów niskiego napięcia. Gdy silnik pracuje synchronicznie, częstotliwość tego sygnału położenia wirnika jest równa częstotliwości napięcia zacisku wirnika, a jego faza odzwierciedla fazę siły elektromotorycznej wzbudzenia. Sygnał impulsu synchronizacji jest wzmacniany przez kształtowanie, przesunięcie fazowe i napięcie wirnika silnika testowego w celu porównania faz, aby uzyskać różnicę faz. Ustaw, gdy silnik pracuje bez obciążenia, różnica faz wynosi θ1 (w przybliżeniu, że w tym momencie kąt mocy θ = 0), gdy obciążenie jest uruchomione, różnica faz wynosi θ2, wówczas różnica faz θ2 - θ1 jest zmierzoną wartością kąta mocy obciążenia silnika synchronicznego z magnesami trwałymi. Schemat pokazano na rysunku 3.
Rys. 3 Schematyczny diagram pomiaru kąta mocy
Ponieważ w dysku fotoelektrycznym równomiernie pokrytym czarnym i białym znakiem jest trudniej, a gdy mierzone bieguny silnika synchronicznego z magnesami trwałymi w tym samym czasie znakowanie dysku nie może być wspólne ze sobą. Dla uproszczenia można również przetestować w wale napędowym silnika z magnesami trwałymi owiniętym okręgiem czarnej taśmy, pokrytym białym znakiem, odblaskowy czujnik fotoelektryczny źródło światła emitowane przez światło zebrane w tym okręgu na powierzchni taśmy. W ten sposób, każdy obrót silnika, czujnik fotoelektryczny w tranzystorze światłoczułym z powodu otrzymania odbitego światła i przewodzenia raz, co skutkuje sygnałem impulsu elektrycznego, po wzmocnieniu i ukształtowaniu, aby uzyskać sygnał porównania E1. z końca uzwojenia wirnika silnika testowego dowolnego napięcia dwufazowego, przez transformator napięciowy PT w dół do niskiego napięcia, wysłanego do komparatora napięcia, formowanie reprezentatywnej prostokątnej fazy sygnału impulsu napięcia U1. U1 przez częstotliwość podziału p, porównanie komparatora faz, aby uzyskać porównanie między fazą a komparatorem faz. U1 na podstawie częstotliwości podziału p, za pomocą komparatora fazy w celu porównania różnicy faz z sygnałem.
Wadą powyższej metody pomiaru kąta mocy jest to, że różnica między dwoma pomiarami powinna być dokonana w celu uzyskania kąta mocy. Aby uniknąć odejmowania dwóch wielkości i zmniejszenia dokładności, w pomiarze różnicy faz obciążenia θ2, odwrócenia sygnału U2, zmierzona różnica faz wynosi θ2'=180 ° - θ2, kąt mocy θ=180 ° - (θ1 + θ2'), co przekształca dwie wielkości z odejmowania fazy na dodawanie. Diagram wielkości fazowych pokazano na rys. 4.
Rys. 4 Zasada metody dodawania faz do obliczania różnicy faz
Inna ulepszona metoda nie wykorzystuje podziału częstotliwości prostokątnego sygnału napięcia, ale wykorzystuje mikrokomputer do jednoczesnego rejestrowania sygnału, odpowiednio, przez interfejs wejściowy, rejestruje sygnały napięcia bez obciążenia i położenia wirnika U0, E0, a także sygnały prostokątnego napięcia obciążenia i położenia wirnika U1, E1, a następnie przesuwa sygnały dwóch zapisów względem siebie, aż sygnały dwóch prostokątnych sygnałów napięcia całkowicie się nałożą, gdy różnica faz między dwoma sygnałami położenia wirnika jest kątem mocy; lub przesuwa sygnał tak, aby dwa sygnały położenia wirnika się pokrywały, wówczas różnica faz między dwoma sygnałami napięcia jest kątem mocy.
Należy zauważyć, że rzeczywista praca bez obciążenia silnika synchronicznego z magnesami trwałymi, kąt mocy nie jest zerowy, szczególnie w przypadku małych silników, ze względu na pracę bez obciążenia strata bez obciążenia (w tym strata miedzi stojana, strata żelaza, strata mechaniczna, strata błądząca) 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, kierunek sterowania i sterowanie silnikiem testowym są spójne, ze sterowaniem silnikiem prądu stałego, silnik prądu stałego może pracować w tym samym stanie, a silnik prądu stałego może być używany jako silnik testowy. Może to spowodować, że silnik prądu stałego będzie działał w stanie silnika, sterowanie i sterowanie silnikiem testowym będą spójne z silnikiem prądu stałego, aby zapewnić wszystkie straty wału silnika testowego (w tym straty żelaza, straty mechaniczne, straty błądzące itp.). Metoda osądu polega na tym, że moc wejściowa silnika testowego jest równa zużyciu miedzi stojana, tj. P1 = pCu, a napięcie i prąd są w fazie. Tym razem zmierzony θ1 odpowiada kątowi mocy równemu zero.
Podsumowanie: zalety tej metody:
① Metoda obciążenia bezpośredniego umożliwia pomiar ustalonej indukcyjności nasycenia przy różnych stanach obciążenia i nie wymaga strategii sterowania, co jest intuicyjne i proste.
Ponieważ pomiar jest wykonywany bezpośrednio pod obciążeniem, można uwzględnić efekt nasycenia i wpływ prądu rozmagnesowania na parametry indukcyjności.
Wady tej metody:
① Metoda bezpośredniego obciążenia wymaga pomiaru większej liczby wielkości w tym samym czasie (napięcie trójfazowe, prąd trójfazowy, kąt współczynnika mocy itp.), pomiar kąta mocy jest trudniejszy, a dokładność testu każdej wielkości ma bezpośredni wpływ na dokładność obliczeń parametrów, a wszelkiego rodzaju błędy w teście parametrów łatwo się kumulują. Dlatego podczas stosowania metody bezpośredniego obciążenia do pomiaru parametrów należy zwrócić uwagę na analizę błędów i wybrać wyższą dokładność przyrządu testowego.
② Wartość siły elektromotorycznej wzbudzenia E0 w tej metodzie pomiaru jest bezpośrednio zastępowana napięciem zacisków silnika bez obciążenia, a to przybliżenie również niesie ze sobą nieodłączne błędy. Ponieważ punkt pracy magnesu trwałego zmienia się wraz z obciążeniem, co oznacza, że przy różnych prądach stojana przenikalność i gęstość strumienia magnesu trwałego są różne, więc wynikowa siła elektromotoryczna wzbudzenia również jest inna. W ten sposób nie jest zbyt dokładne zastąpienie siły elektromotorycznej wzbudzenia w warunkach obciążenia siłą elektromotoryczną wzbudzenia bez obciążenia.
Odniesienia
[1] Tang Renyuan i in. Nowoczesna teoria i projektowanie silników z magnesami trwałymi. Pekin: Machinery Industry Press. Marzec 2011
[2] JF Gieras, M. Wing. Technologia, projektowanie i zastosowania silników z magnesami trwałymi, wyd. 2. Nowy Jork: Marcel Dekker, 2002:170~171
Prawa autorskie: Niniejszy artykuł jest przedrukiem publicznego numeru silnika WeChat (电机极客), oryginalny linkhttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A
Niniejszy artykuł nie reprezentuje poglądów naszej firmy. Jeśli masz inne zdanie lub poglądy, popraw nas!
Czas publikacji: 18-07-2024