I. Účel a význam měření synchronní indukčnosti
(1) Účel měření parametrů synchronní indukčnosti (tj. indukčnosti napříč osou)
Parametry indukčnosti střídavého a stejnosměrného proudu jsou dva nejdůležitější parametry synchronního motoru s permanentními magnety. Jejich přesné získání je předpokladem a základem pro výpočet charakteristik motoru, dynamickou simulaci a regulaci otáček. Synchronní indukčnost lze použít k výpočtu mnoha vlastností v ustáleném stavu, jako je účiník, účinnost, točivý moment, proud kotvy, výkon a další parametry. V řídicím systému motoru s permanentními magnety využívajícím vektorové řízení jsou parametry synchronní induktoru přímo zapojeny do řídicího algoritmu a výsledky výzkumu ukazují, že v oblasti slabého magnetismu může nepřesnost parametrů motoru vést k významnému snížení točivého momentu a výkonu. To ukazuje důležitost parametrů synchronní induktoru.
(2) Problémy, které je třeba zvážit při měření synchronní indukčnosti
Aby se dosáhlo vysoké hustoty výkonu, je struktura synchronních motorů s permanentními magnety často navržena složitěji a magnetický obvod motoru je více saturovaný, což má za následek, že parametr synchronní indukčnosti motoru se mění se saturací magnetického obvodu. Jinými slovy, parametry se mění s provozními podmínkami motoru a za jmenovitých provozních podmínek nemohou parametry synchronní indukčnosti zcela přesně odrážet povahu parametrů motoru. Proto je nutné měřit hodnoty indukčnosti za různých provozních podmínek.
2. Metody měření synchronní indukčnosti motoru s permanentními magnety
Tento článek shromažďuje různé metody měření synchronní indukčnosti a provádí jejich podrobné srovnání a analýzu. Tyto metody lze zhruba rozdělit do dvou hlavních typů: přímý zatěžovací test a nepřímý statický test. Statické testování se dále dělí na statický test střídavého proudu a statický test stejnosměrného proudu. Dnes si v první části našich „Metod testování synchronních induktorů“ vysvětlíme metodu zatěžovacího testu.
Literatura [1] uvádí princip metody přímého zatížení. Motory s permanentními magnety lze obvykle analyzovat pomocí teorie dvojité reakce k analýze jejich provozu při zatížení a fázové diagramy provozu generátoru a motoru jsou znázorněny na obrázku 1 níže. Úhel výkonu θ generátoru je kladný, pokud E0 překračuje U, úhel účiníku φ je kladný, pokud I překračuje U, a vnitřní úhel účiníku ψ je kladný, pokud E0 překračuje I. Úhel výkonu θ motoru je kladný, pokud U překračuje E0, úhel účiníku φ je kladný, pokud U překračuje I, a vnitřní úhel účiníku ψ je kladný, pokud I překračuje E0.
Obr. 1 Fázový diagram provozu synchronního motoru s permanentními magnety
(a) Stav generátoru (b) Stav motoru
Podle tohoto fázového diagramu lze získat: při provozu motoru s permanentními magnety pod zatížením, měření budicí elektromotorické síly E0 naprázdno, napětí na svorkách kotvy U, proudu I, úhlu účiníku φ a úhlu výkonu θ atd., lze získat proud kotvy na přímé ose, složku příčné osy Id = Isin (θ - φ) a Iq = Icos (θ - φ), pak Xd a Xq lze získat z následující rovnice:
Když generátor běží:
Xd=[E0-Ucosθ-IR1cos(θ-φ)]/Id (1)
Xq=[Usinθ+IR1sin(θ-φ)]/Iq (2)
Když motor běží:
Xd=[E0-Ucosθ+IR1cos(θ-φ)]/Id (3)
Xq=[Usinθ-IR1sin(θ-φ)]/Iq (4)
Parametry ustáleného stavu synchronních motorů s permanentními magnety se mění se změnou provozních podmínek motoru a se změnou proudu kotvy se mění jak Xd, tak Xq. Proto při určování parametrů nezapomeňte uvést i provozní podmínky motoru. (Velikost střídavého a stejnosměrného proudu hřídele nebo proudu statoru a vnitřní úhelník).
Hlavní problém při měření indukčních parametrů metodou přímého zatížení spočívá v měření výkonového úhlu θ. Jak víme, jedná se o fázový úhlový rozdíl mezi napětím na svorkách motoru U a budicí elektromotorickou silou. Pokud motor běží stabilně, lze koncové napětí získat přímo, ale E0 nelze získat přímo, takže jej lze získat pouze nepřímou metodou, která získá periodický signál se stejnou frekvencí jako E0 a pevným fázovým rozdílem, který nahradí E0, a provede fázové srovnání s koncovým napětím.
Tradiční nepřímé metody jsou:
1) do drážky kotvy testovaného motoru se vloží několik závitů jemného drátu původní cívky motoru jako měřicí cívka, aby se dosáhlo stejné fáze jako ve vinutí motoru pod testovaným napětím, a porovnáním úhlu účiníku lze získat součet.
2) Nainstalujte na hřídel testovaného motoru synchronní motor, který je identický s testovaným motorem. Metoda měření fázového napětí [2], která bude popsána níže, je založena na tomto principu. Experimentální schéma zapojení je znázorněno na obrázku 2. TSM je testovaný synchronní motor s permanentními magnety, ASM je identický synchronní motor, který je navíc vyžadován, PM je hnací motor, který může být buď synchronní motor, nebo stejnosměrný motor, B je brzda a DBO je dvoupaprskový osciloskop. Fáze B a C TSM a ASM jsou připojeny k osciloskopu. Když je TSM připojen k třífázovému napájení, osciloskop přijímá signály VTSM a E0ASM. Protože jsou oba motory identické a otáčejí se synchronně, jsou zpětný potenciál bez zátěže TSM testovacího zařízení a zpětný potenciál bez zátěže ASM, který funguje jako generátor, E0ASM, ve fázi. Proto lze měřit výkonový úhel θ, tj. fázový rozdíl mezi VTSM a E0ASM.
Obr. 2 Experimentální schéma zapojení pro měření úhlu výkonu
Tato metoda se příliš často nepoužívá, a to hlavně proto, že: ① malý synchronní motor nebo rotační transformátor namontovaný na hřídeli rotoru, u kterého je nutné měřit, má dva konce hřídele vyčnívající ven, což je často obtížné. ② Přesnost měření výkonového úhlu závisí do značné míry na obsahu vysokých harmonických ve VTSM a E0ASM, a pokud je obsah harmonických relativně vysoký, přesnost měření se sníží.
3) Pro zlepšení přesnosti testu úhlu výkonu a snadného použití se nyní více používají snímače polohy k detekci signálu polohy rotoru a poté se provádí fázové porovnání s přístupem koncového napětí.
Základním principem je instalace promítaného nebo odraženého fotoelektrického disku na hřídel měřeného synchronního motoru s permanentními magnety. Počet rovnoměrně rozložených otvorů na disku nebo černobílých značek odpovídá počtu párů pólů testovaného synchronního motoru. Když se disk otočí o jednu otáčku s motorem, fotoelektrický senzor přijímá p signálů polohy rotoru a generuje p nízkonapěťových impulzů. Když motor běží synchronně, frekvence tohoto signálu polohy rotoru je rovna frekvenci napětí na svorkách kotvy a jeho fáze odráží fázi budicí elektromotorické síly. Signál synchronizačních impulzů je zesílen tvarováním, fázovým posunem a napětím kotvy testovaného motoru pro fázové porovnání, aby se získal fázový rozdíl. Při chodu motoru naprázdno je fázový rozdíl θ1 (přibližně v tomto okamžiku je výkonový úhel θ = 0), při chodu zátěže je fázový rozdíl θ2, pak je fázový rozdíl θ2 - θ1 naměřená hodnota výkonového úhlu zátěžového synchronního motoru s permanentními magnety. Schéma zapojení je znázorněno na obrázku 3.
Obr. 3 Schéma měření úhlu výkonu
Protože je u fotoelektrického disku rovnoměrně potaženého černobílou značkou obtížnější a při měření pólů synchronního motoru s permanentním magnetem nelze označovací disky spojit. Pro zjednodušení lze také testovat hnací hřídel motoru s permanentním magnetem, obalenou kruhem z černé pásky a potaženou bílou značkou, reflexní fotoelektrický senzor vyzařuje světlo shromážděné v tomto kruhu na povrchu pásky. Tímto způsobem při každé otáčce motoru fotoelektrický senzor ve fotocitlivém tranzistoru přijímá odražené světlo a vede ho, což vede k elektrickému impulsnímu signálu. Po zesílení a tvarování získá porovnávací signál E1. Z konce vinutí kotvy testovaného motoru je libovolné dvoufázové napětí pomocí napěťového transformátoru PT sníženo na nízké napětí, které je odesláno do napěťového komparátoru, kde se vytvoří reprezentativní obdélníkový fázový impulsní signál U1. U1 je děleno frekvencí p a fázový komparátor porovnává fáze a fázový komparátor. U1 frekvencí p-dělení, fázovým komparátorem pro porovnání jeho fázového rozdílu se signálem.
Nedostatkem výše uvedené metody měření výkonového úhlu je, že pro získání výkonového úhlu je nutné použít rozdíl mezi těmito dvěma měřeními. Aby se zabránilo odečítání dvou veličin a snížila se přesnost, při měření fázového rozdílu zátěže θ2, reverzace signálu U2, je naměřený fázový rozdíl θ2'=180° - θ2, výkonový úhel θ=180° - (θ1 + θ2'), což převádí obě veličiny z odečítání fáze na sčítání. Diagram fázových veličin je znázorněn na obr. 4.
Obr. 4 Princip metody sčítání fází pro výpočet fázového rozdílu
Jiná vylepšená metoda nepoužívá dělení kmitočtu obdélníkového tvaru signálu napětí, ale používá mikropočítač k současnému záznamu tvaru signálu prostřednictvím vstupního rozhraní, zaznamenává tvary vln signálu napětí bez zátěže U0, E0 a signály obdélníkového tvaru vlny napětí zátěže U1, E1 a poté posouvá tvary vln obou záznamů vůči sobě, dokud se tvary vln dvou obdélníkových signálů napětí zcela nepřekryjí, přičemž fázový rozdíl mezi oběma signály polohy rotoru je výkonový úhel; nebo posouvá tvary vln tak, aby se tvary vln obou signálů polohy rotoru shodovaly, a fázový rozdíl mezi oběma signály napětí je výkonový úhel.
Je třeba zdůraznit, že skutečný chod synchronního motoru s permanentními magnety naprázdno není výkonový úhel nulový, zejména u malých motorů. Ztráta výkonu při chodu naprázdno (včetně ztráty v mědi statoru, ztráty v železe, mechanické ztráty, rozptylové ztráty) je poměrně velká. Pokud se úhel výkonu naprázdno předpokládá, že je nulový, dojde k velké chybě v měření výkonového úhlu. To může být použito k zajištění konzistentního směru řízení a řízení testovaného motoru při chodu stejnosměrného motoru. S řízením stejnosměrného motoru může stejnosměrný motor běžet ve stejném stavu a stejnosměrný motor může být použit jako testovací motor. To může zajistit konzistentní směr řízení a řízení testovaného motoru při chodu stejnosměrného motoru a k zajištění všech ztrát na hřídeli testovaného motoru (včetně ztrát v železe, mechanických ztrát, rozptylových ztrát atd.). Metoda posouzení spočívá v tom, že vstupní výkon testovaného motoru se rovná spotřebě statorové mědi, tj. P1 = pCu, a napětí a proud jsou ve fázi. Tentokrát naměřená hodnota θ1 odpovídá nulovému úhlu mocniny.
Shrnutí: výhody této metody:
① Metoda přímého zatížení dokáže měřit indukčnost saturace v ustáleném stavu za různých stavů zatížení a nevyžaduje žádnou řídicí strategii, je intuitivní a jednoduchá.
Protože se měření provádí přímo pod zátěží, lze zohlednit efekt saturace a vliv demagnetizačního proudu na parametry indukčnosti.
Nevýhody této metody:
① Metoda přímého zatížení vyžaduje měření více veličin současně (třífázové napětí, třífázový proud, úhel účiníku atd.), měření úhlu výkonu je obtížnější a přesnost měření každé veličiny má přímý vliv na přesnost výpočtů parametrů a při měření parametrů se snadno hromadí nejrůznější chyby. Proto je při měření parametrů metodou přímého zatížení třeba věnovat pozornost analýze chyb a zvolit měřicí přístroj s vyšší přesností.
② Hodnota budicí elektromotorické síly E0 je v této metodě měření přímo nahrazena napětím na svorkách motoru bez zátěže a tato aproximace také s sebou nese inherentní chyby. Protože se pracovní bod permanentního magnetu mění se zátěží, znamená to, že při různých statorových proudech se liší permeabilita a hustota magnetického toku permanentního magnetu, takže se liší i výsledná budicí elektromotorická síla. Z tohoto důvodu není příliš přesné nahrazovat budicí elektromotorickou sílu pod zátěží budicí elektromotorickou silou bez zátěže.
Reference
[1] Tang Renyuan a kol. Teorie a konstrukce moderních motorů s permanentními magnety. Peking: Machinery Industry Press. Březen 2011
[2] JF Gieras, M. Wing. Technologie, konstrukce a aplikace motorů s permanentními magnety, 2. vydání. New York: Marcel Dekker, 2002:170~171
Autorská práva: Tento článek je reprintem ukázky veřejného čísla WeChat (电机极客), původního odkazu.https://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A
Tento článek nereprezentuje názory naší společnosti. Pokud máte jiné názory nebo postoje, opravte nás prosím!
Čas zveřejnění: 18. července 2024