Измерване на синхронна индуктивност на двигатели с постоянни магнити

I. Цел и значение на измерването на синхронната индуктивност
(1) Цел на измерване на параметрите на синхронната индуктивност (т.е. индуктивност по напречната ос)
Параметрите на променливотоковата и постояннотоковата индуктивност са двата най-важни параметъра в синхронния двигател с постоянни магнити. Тяхното точно определяне е предпоставка и основа за изчисляване на характеристиките на двигателя, динамична симулация и управление на скоростта. Синхронната индуктивност може да се използва за изчисляване на много стационарни свойства, като например коефициент на мощност, ефективност, въртящ момент, ток на котвата, мощност и други параметри. В системата за управление на двигател с постоянни магнити, използваща векторно управление, параметрите на синхронната индуктивност са пряко включени в алгоритъма за управление и резултатите от изследванията показват, че в областта на слабите магнити, неточността на параметрите на двигателя може да доведе до значително намаляване на въртящия момент и мощността. Това показва важността на параметрите на синхронната индуктивност.
(2) Проблеми, които трябва да се отбележат при измерване на синхронна индуктивност
За да се постигне висока плътност на мощността, структурата на синхронните двигатели с постоянни магнити често е проектирана по-сложно, а магнитната верига на двигателя е по-наситена, което води до промяна в параметъра на синхронната индуктивност на двигателя с насищането на магнитната верига. С други думи, параметрите ще се променят в зависимост от работните условия на двигателя и при номиналните работни условия параметрите на синхронната индуктивност не могат да отразят точно характеристиките на двигателя. Следователно е необходимо да се измерват стойностите на индуктивността при различни работни условия.
2. методи за измерване на синхронна индуктивност на двигател с постоянен магнит
Тази статия събира различни методи за измерване на синхронна индуктивност и прави подробно сравнение и анализ на тях. Тези методи могат грубо да бъдат категоризирани в два основни вида: директно изпитване с натоварване и индиректно статично изпитване. Статичното изпитване се разделя допълнително на статично изпитване с променлив ток и статично изпитване с постоянен ток. Днес, първата част от нашите „Методи за изпитване на синхронни индуктори“ ще обясни метода за изпитване с натоварване.

В литературата [1] е представен принципът на метода на директно натоварване. Двигателите с постоянни магнити обикновено могат да бъдат анализирани с помощта на теорията за двойната реакция, за да се анализира работата им при натоварване, а фазовите диаграми на работата на генератора и двигателя са показани на Фигура 1 по-долу. Ъгълът на мощността θ на генератора е положителен, когато E0 превишава U, ъгълът на фактора на мощността φ е положителен, когато I превишава U, а ъгълът на вътрешния фактор на мощността ψ е положителен, когато E0 превишава I. Ъгълът на мощността θ на двигателя е положителен, когато U превишава E0, ъгълът на фактора на мощността φ е положителен, когато U превишава I, а ъгълът на вътрешния фактор на мощността ψ е положителен, когато I превишава E0.

Фиг. 1 Фазова диаграма на работата на синхронен двигател с постоянен магнит
(a) Състояние на генератора (b) Състояние на двигателя

Съгласно тази фазова диаграма може да се получи: когато двигателят с постоянен магнит работи под натоварване, се измерват електродвижещата сила на възбуждане без товар E0, напрежението на клемите на котвата U, токът I, ъгълът на коефициента на мощност φ и ъгълът на мощността θ и т.н., може да се получи токът на котвата по правата ос, напречната компонента Id = Isin (θ - φ) и Iq = Icos (θ - φ), тогава Xd и Xq могат да се получат от следното уравнение:

Когато генераторът работи:

Xd=[E0-Ucosθ-IR1cos(θ-φ)]/Id (1)
Xq=[Usinθ+IR1sin(θ-φ)]/Iq (2)

Когато двигателят работи:

Xd=[E0-Ucosθ+IR1cos(θ-φ)]/Id (3)
Xq=[Usinθ-IR1sin(θ-φ)]/Iq (4)

Параметрите на стационарното състояние на синхронните двигатели с постоянни магнити се променят с промяната на работните условия на двигателя, а когато токът на котвата се промени, се променят както Xd, така и Xq. Следователно, когато определяте параметрите, не забравяйте да посочите и работните условия на двигателя. (Количество на променливия и постоянния ток на вала или ток на статора и вътрешен ъгъл на коефициента на мощност)

Основната трудност при измерване на индуктивните параметри чрез метода на директно натоварване се състои в измерването на ъгъла на мощност θ. Както знаем, това е фазовата разлика между напрежението на клемите на двигателя U и електродвижещата сила на възбуждането. Когато двигателят работи стабилно, крайното напрежение може да се получи директно, но E0 не може да се получи директно, така че може да се получи само чрез индиректен метод, за да се получи периодичен сигнал със същата честота като E0 и фиксирана фазова разлика, която да замести E0, за да се направи фазово сравнение с крайното напрежение.

Традиционните индиректни методи са:
1) в слота на котвата на изпитвания двигател, заровен в стъпката на скобата, и оригиналната намотка на двигателя с няколко навивки от фин проводник като измервателна намотка, за да се получи същата фаза с напрежението на изпитваната намотка на двигателя под сигнал за сравнение, чрез сравнение на ъгъла на фактора на мощността може да се получи.
2) Инсталирайте синхронен двигател на вала на тествания двигател, който е идентичен с тествания двигател. Методът за измерване на фазата на напрежението [2], който ще бъде описан по-долу, се основава на този принцип. Експерименталната схема на свързване е показана на Фигура 2. TSM е тестваният синхронен двигател с постоянен магнит, ASM е идентичен синхронен двигател, който е допълнително необходим, PM е първичният двигател, който може да бъде синхронен двигател или DC двигател, B е спирачката, а DBO е двулъчев осцилоскоп. Фазите B и C на TSM и ASM са свързани към осцилоскопа. Когато TSM е свързан към трифазно захранване, осцилоскопът получава сигналите VTSM и E0ASM. Тъй като двата двигателя са идентични и се въртят синхронно, обратният потенциал на празен ход на TSM на тестера и обратният потенциал на празен ход на ASM, който действа като генератор, E0ASM, са във фаза. Следователно, може да се измери ъгълът на мощност θ, т.е. фазовата разлика между VTSM и E0ASM.

Фиг. 2 Експериментална схема на свързване за измерване на ъгъла на мощност

Този метод не се използва много често, главно защото: ① Малък синхронен двигател или ротационен трансформатор, монтиран на вала на ротора, трябва да се измерва, тъй като двата края на вала са изпънати навън, което често е трудно за изпълнение. ② Точността на измерване на ъгъла на мощност зависи до голяма степен от съдържанието на високи хармоници във VTSM и E0ASM, и ако съдържанието на хармоници е сравнително голямо, точността на измерването ще бъде намалена.
3) За да се подобри точността на теста за ъгъл на мощност и лекотата на използване, сега се използват повече сензори за положение за откриване на сигнала за положение на ротора и след това фазово сравнение с подхода за крайно напрежение.
Основният принцип е да се монтира проектиран или отразен фотоелектричен диск върху вала на измервания синхронен двигател с постоянен магнит, като се измери броят на равномерно разпределените отвори на диска или черно-бели маркери и броят на двойките полюси на тествания синхронен двигател. Когато дискът се завърти с двигателя, фотоелектричният сензор получава p сигнала за положението на ротора и генерира p импулса с ниско напрежение. Когато двигателят работи синхронно, честотата на този сигнал за положението на ротора е равна на честотата на напрежението на клемите на котвата, а фазата му отразява фазата на възбуждащата електродвижеща сила. Сигналът за синхронизиращ импулс се усилва чрез оформяне, фазово изместване и напрежението на котвата на изпитвания двигател се сравнява фазово, за да се получи фазовата разлика. Когато двигателят работи без товар, фазовата разлика е θ1 (приблизително в този момент ъгълът на мощност θ = 0), когато товарът работи, фазовата разлика е θ2, тогава фазовата разлика θ2 - θ1 е измерената стойност на ъгъла на мощност на натоварване на синхронния двигател с постоянен магнит. Схематичната диаграма е показана на Фигура 3.

Фиг. 3 Схематична диаграма на измерване на ъгъла на мощност

Тъй като при фотоелектричния диск, равномерно покрити с черно-бяла маркировка, е по-трудно да се маркират едновременно полюсите на синхронния двигател с постоянен магнит, а маркиращите дискове не могат да бъдат едновременно маркирани. За по-лесно, може да се тества и задвижващ вал на двигател с постоянен магнит, обвит в кръг от черна лента, покрит с бяла маркировка. Светлинният източник, излъчван от отразяващия фотоелектричен сензор, се събира в този кръг върху повърхността на лентата. По този начин, при всяко завъртане на двигателя, фотоелектричният сензор във фоточувствителния транзистор приема отразена светлина и я провежда веднъж, което води до електрически импулсен сигнал. След усилване и оформяне, се получава сравнителен сигнал E1. Всяко двуфазно напрежение от края на намотката на котвата на изпитвания двигател се понижава от трансформатора на напрежение PT до ниско напрежение, което се изпраща към сравнителя на напрежение, като се формира представителна правоъгълна фаза на импулсния сигнал на напрежение U1. U1 се определя от честотата на p-деление, като се използва фазовият сравнител за сравнение между фазата и фазовия сравнител. U1 чрез честотата на p-деление, чрез фазовия компаратор, за да се сравни неговата фазова разлика със сигнала.
Недостатъкът на горния метод за измерване на ъгъла на мощността е, че за да се получи ъгълът на мощността, трябва да се направи разлика между двете измервания. За да се избегне изваждането на двете величини и намаляване на точността, при измерване на фазовата разлика на натоварването θ2, обръщането на сигнала U2, измерената фазова разлика е θ2'=180° - θ2, ъгълът на мощността θ=180° - (θ1 + θ2'), което преобразува двете величини от изваждане на фазата в сумиране. Диаграмата на фазовите величини е показана на Фиг. 4.

Фиг. 4 Принцип на метода за добавяне на фази за изчисляване на фазова разлика

Друг подобрен метод не използва честотно разделяне на правоъгълната форма на вълната на сигнала на напрежението, а използва микрокомпютър за едновременно записване на формата на вълната на сигнала, съответно чрез входния интерфейс, записва U0, E0 на вълните на напрежението без товар и на сигнала за положение на ротора, както и U1, E1 на сигналите за напрежение на товар и положение на ротора, и след това премества вълновите форми на двата записа една спрямо друга, докато вълновите форми на двата сигнала за правоъгълна вълна на напрежението се припокрият напълно, когато фазовата разлика между двата сигнала за положение на ротора е ъгълът на мощност; или преместване на вълновата форма до съвпадение на вълновите форми на двата сигнала за положение на ротора, тогава фазовата разлика между двата сигнала за напрежение е ъгълът на мощност.
Трябва да се отбележи, че при работа на празен ход на синхронен двигател с постоянен магнит, ъгълът на мощност не е нула, особено при малки двигатели. Поради сравнително големи загуби на празен ход при работа на празен ход (включително загуби на мед в статора, загуби на желязо, механични загуби, загуби на разсейване) загубите при работа на празен ход (включително загуби на мед в статора, загуби на желязо, механични загуби, загуби на разсейване). Ако смятате, че ъгълът на мощност на празен ход е нула, това ще доведе до голяма грешка в измерването на ъгъла на мощност. Това може да се използва, за да се осигури съгласуваност между работещия DC двигател, посоката на управление и управлението на тестовия двигател. При управление на DC двигателя, DC двигателят може да работи в същото състояние и да се използва като тестов двигател. Това може да осигури съгласуваност между работещия DC двигател, управлението и управлението на тестовия двигател и DC двигателя, за да се осигурят всички загуби на вала на тестовия двигател (включително загуби на желязо, механични загуби, загуби на разсейване и др.). Методът на оценка е, че входната мощност на тестовия двигател е равна на консумацията на мед в статора, т.е. P1 = pCu, а напрежението и токът са във фаза. Този път измереното θ1 съответства на степенния ъгъл нула.
Резюме: предимствата на този метод:
① Методът с директно натоварване може да измерва индуктивността на насищане в стационарно състояние при различни състояния на натоварване и не изисква стратегия за управление, което е интуитивно и просто.
Тъй като измерването се извършва директно под товар, могат да се вземат предвид ефектът на насищане и влиянието на тока на размагнитване върху параметрите на индуктивността.
Недостатъци на този метод:
① Методът с директно натоварване изисква едновременно измерване на повече величини (трифазно напрежение, трифазен ток, ъгъл на коефициента на мощност и др.), измерването на ъгъла на мощността е по-трудно и точността на изпитването на всяка величина има пряко влияние върху точността на изчисленията на параметрите, а всички видове грешки при изпитването на параметрите лесно се натрупват. Следователно, когато се използва методът с директно натоварване за измерване на параметрите, трябва да се обърне внимание на анализа на грешките и да се избере по-висока точност на изпитвателния инструмент.
② Стойността на възбуждащата електродвижеща сила E0 при този метод на измерване се замества директно от напрежението на клемите на двигателя при празен ход и това приближение също носи присъщи грешки. Тъй като работната точка на постоянния магнит се променя с натоварването, което означава, че при различни статорни токове, проницаемостта и плътността на потока на постоянния магнит са различни, така че получената възбуждаща електродвижеща сила също е различна. По този начин не е много точно да се замества възбуждащата електродвижеща сила под натоварване с възбуждащата електродвижеща сила при празен ход.
Референции
[1] Танг Ренюан и др. Теория и проектиране на съвременни двигатели с постоянни магнити. Пекин: Machinery Industry Press. Март 2011 г.
[2] JF Gieras, M. Wing. Технология, проектиране и приложения на двигатели с постоянни магнити, 2-ро издание. Ню Йорк: Marcel Dekker, 2002:170~171
Авторско право: Тази статия е препечатка на публикацията на WeChat с номера (电机极客), оригиналната връзкаhttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A

Тази статия не представлява гледната точка на нашата компания. Ако имате различни мнения или възгледи, моля, поправете ни!