I. Мета та значення вимірювання синхронної індуктивності
(1) Мета вимірювання параметрів синхронної індуктивності (тобто міжосьової індуктивності)
Параметри індуктивності змінного та постійного струму є двома найважливішими параметрами синхронного двигуна з постійними магнітами. Їх точне визначення є передумовою та основою для розрахунку характеристик двигуна, динамічного моделювання та керування швидкістю. Синхронна індуктивність може бути використана для розрахунку багатьох стаціонарних властивостей, таких як коефіцієнт потужності, ККД, крутний момент, струм якоря, потужність та інші параметри. У системі керування двигуном з постійними магнітами з використанням векторного керування параметри синхронної індуктивності безпосередньо задіяні в алгоритмі керування, і результати дослідження показують, що в області слабких магнітів неточність параметрів двигуна може призвести до значного зниження крутного моменту та потужності. Це показує важливість параметрів синхронної індуктивності.
(2) Проблеми, на які слід звернути увагу під час вимірювання синхронної індуктивності
Для досягнення високої щільності потужності структура синхронних двигунів з постійними магнітами часто проектується складнішою, а магнітний контур двигуна більш насичений, що призводить до зміни параметра синхронної індуктивності двигуна залежно від насичення магнітного контуру. Іншими словами, параметри змінюватимуться залежно від умов експлуатації двигуна, і за номінальних умов експлуатації параметри синхронної індуктивності не можуть повністю точно відображати характеристики параметрів двигуна. Тому необхідно вимірювати значення індуктивності за різних умов експлуатації.
2. методи вимірювання синхронної індуктивності двигуна з постійними магнітами
У цій статті зібрано різні методи вимірювання синхронної індуктивності та проведено їх детальне порівняння та аналіз. Ці методи можна умовно розділити на два основні типи: пряме навантажувальне випробування та непряме статичне випробування. Статичне випробування далі поділяється на статичні випробування змінним струмом та статичні випробування постійним струмом. Сьогодні в першій частині нашої статті «Методи випробування синхронних індуктивностей» буде пояснено метод навантажувального випробування.
У літературі [1] представлено принцип методу прямого навантаження. Двигуни з постійними магнітами зазвичай можна аналізувати за допомогою теорії подвійної реакції для аналізу їх роботи під навантаженням, а фазові діаграми роботи генератора та двигуна показано на рисунку 1 нижче. Кут потужності θ генератора додатний, коли E0 перевищує U, кут коефіцієнта потужності φ додатний, коли I перевищує U, а кут внутрішнього коефіцієнта потужності ψ додатний, коли E0 перевищує I. Кут потужності θ двигуна додатний, коли U перевищує E0, кут коефіцієнта потужності φ додатний, коли U перевищує I, а кут внутрішнього коефіцієнта потужності ψ додатний, коли I перевищує E0.
Рис. 1 Фазова діаграма роботи синхронного двигуна з постійними магнітами
(a) Стан генератора (b) Стан двигуна
Згідно з цією фазовою діаграмою, можна отримати: коли двигун з постійними магнітами працює під навантаженням, виміряні електрорушійна сила збудження холостого ходу E0, напруга на виводах якоря U, струм I, кут коефіцієнта потужності φ та кут потужності θ тощо, можна отримати струм якоря по прямій осі, поперечна складова Id = Isin (θ - φ) та Iq = Icos (θ - φ), тоді Xd та Xq можна отримати з наступного рівняння:
Коли генератор працює:
Xd=[E0-Ucosθ-IR1cos(θ-φ)]/Id (1)
Xq=[Usinθ+IR1sin(θ-φ)]/Iq (2)
Коли двигун працює:
Xd=[E0-Ucosθ+IR1cos(θ-φ)]/Id (3)
Xq=[Usinθ-IR1sin(θ-φ)]/Iq (4)
Параметри стаціонарного режиму синхронних двигунів з постійними магнітами змінюються зі зміною робочих умов двигуна, а коли змінюється струм якоря, змінюються як Xd, так і Xq. Тому, визначаючи параметри, обов'язково вкажіть також робочі умови двигуна. (Величину змінного та постійного струму вала або струму статора та кут внутрішнього коефіцієнта потужності).
Основна складність під час вимірювання індуктивних параметрів методом прямого навантаження полягає у вимірюванні кута потужності θ. Як відомо, це різниця фазових кутів між напругою на клемах двигуна U та електрорушійною силою збудження. Коли двигун працює стабільно, кінцеву напругу можна отримати безпосередньо, але E0 неможливо отримати безпосередньо, тому її можна отримати лише непрямим методом, щоб отримати періодичний сигнал з такою ж частотою, як E0, та фіксовану різницю фаз для заміни E0, щоб провести порівняння фаз з кінцевою напругою.
Традиційні непрямі методи:
1) у паз якоря випробуваного двигуна закопано крок та оригінальну котушку двигуна з кількох витків тонкого дроту як вимірювальну котушку, щоб отримати ту саму фазу, що й обмотка двигуна під час випробування, сигнал порівняння напруги, шляхом порівняння кута коефіцієнта потужності можна отримати.
2) Встановіть на вал випробуваного двигуна синхронний двигун, ідентичний випробуваному двигуну. Метод вимірювання фази напруги [2], який буде описано нижче, базується на цьому принципі. Схема експериментального з'єднання показана на рисунку 2. TSM – це випробуваний синхронний двигун з постійними магнітами, ASM – це ідентичний синхронний двигун, який додатково потрібен, PM – це первинний двигун, який може бути як синхронним двигуном, так і двигуном постійного струму, B – це гальмо, а DBO – це двопроменевий осцилограф. Фази B та C TSM та ASM підключені до осцилографа. Коли TSM підключено до трифазного джерела живлення, осцилограф отримує сигнали VTSM та E0ASM. Оскільки два двигуни ідентичні та обертаються синхронно, зворотний потенціал холостого ходу TSM тестера та зворотний потенціал холостого ходу ASM, який діє як генератор, E0ASM, знаходяться в фазі. Отже, можна виміряти кут потужності θ, тобто різницю фаз між VTSM та E0ASM.
Рис. 2. Експериментальна схема підключення для вимірювання кута потужності
Цей метод не дуже поширений, головним чином тому, що: ① на валу ротора встановлено невеликий синхронний двигун або обертовий трансформатор, який потрібно виміряти, двигун має два витягнуті кінці вала, що часто важко зробити. ② Точність вимірювання кута потужності значною мірою залежить від вмісту високих гармонік VTSM та E0ASM, і якщо вміст гармонік відносно великий, точність вимірювання знизиться.
3) Для покращення точності та зручності випробування кута потужності тепер частіше використовуються датчики положення для виявлення сигналу положення ротора, а потім порівняння фаз з підходом кінцевої напруги.
Основний принцип полягає у встановленні проектованого або відбитого фотоелектричного диска на валу вимірюваного синхронного двигуна з постійними магнітами, кількості рівномірно розподілених отворів на диску або чорно-білих маркерів та кількості пар полюсів випробуваного синхронного двигуна. Коли диск обертається на один оберт разом з двигуном, фотоелектричний датчик отримує p сигналів положення ротора та генерує p імпульсів низької напруги. Коли двигун працює синхронно, частота цього сигналу положення ротора дорівнює частоті напруги на виводах якоря, а його фаза відображає фазу електрорушійної сили збудження. Сигнал синхронізаційного імпульсу підсилюється шляхом формування, зсуву фази та порівняння фаз напруги якоря випробуваного двигуна. Встановлення різниці фаз під час роботи двигуна без навантаження становить θ1 (приблизно, що в цей час кут потужності θ = 0), коли навантаження працює, різниця фаз становить θ2, тоді різниця фаз θ2 - θ1 є виміряним значенням кута потужності навантаження синхронного двигуна з постійними магнітами. Схема показана на рисунку 3.
Рис. 3. Принципова схема вимірювання кута потужності
Оскільки у фотоелектричному диску рівномірно покритий чорно-білою міткою, це складніше, і коли вимірювані полюси синхронного двигуна з постійним магнітом одночасно не можуть бути спільними для одного з одним, позначка на диску може бути не спільною. Для спрощення також можна перевірити приводний вал двигуна з постійним магнітом, обмотаний колом чорної стрічки, покритої білою міткою, джерело світла, що відбиває фотоелектричний датчик, випромінюється світлом, зібраним у цьому колі на поверхні стрічки. Таким чином, під час кожного оберту двигуна фотоелектричний датчик у фоточутливому транзисторі отримує відбите світло та проводить його один раз, в результаті чого утворюється електричний імпульсний сигнал, який після посилення та формування отримує сигнал порівняння E1. Будь-яка двофазна напруга з кінця обмотки якоря випробуваного двигуна, трансформатор напруги PT знижує напругу до низької, надсилаючи її на компаратор напруги, формуючи представника прямокутної фази імпульсного сигналу напруги U1. U1 залежить від частоти p-ділення, порівняння фазового компаратора дозволяє отримати порівняння між фазою та фазовим компаратором. U1 за частотою p-поділу, фазовим компаратором для порівняння його різниці фаз із сигналом.
Недоліком вищезгаданого методу вимірювання кута потужності є те, що для отримання кута потужності необхідно враховувати різницю між двома вимірюваннями. Щоб уникнути віднімання двох величин і зниження точності, під час вимірювання різниці фаз навантаження θ2, зміни напрямку сигналу U2, виміряна різниця фаз становить θ2'=180° - θ2, кут потужності θ=180° - (θ1 + θ2'), що перетворює дві величини з віднімання фази на додавання. Діаграма фазових величин показана на рис. 4.
Рис. 4 Принцип методу додавання фаз для розрахунку різниці фаз
Інший удосконалений метод не використовує частотний поділ сигналу прямокутної форми хвилі напруги, а використовує мікрокомп'ютер для одночасного запису форми хвилі сигналу відповідно через вхідний інтерфейс, записує форми хвилі напруги холостого ходу та сигналу положення ротора U0, E0, а також сигнали прямокутної форми хвилі напруги навантаження та положення ротора U1, E1, а потім переміщує форми хвилі двох записів одна відносно одної, доки форми хвилі двох сигналів прямокутної форми хвилі напруги повністю не перекриються, коли різниця фаз між двома сигналами положення ротора являє собою кут потужності; або переміщує форму хвилі до збігу форм хвилі двох сигналів положення ротора, тоді різниця фаз між двома сигналами напруги являє собою кут потужності.
Слід зазначити, що під час фактичної роботи синхронного двигуна з постійними магнітами без навантаження кут потужності не дорівнює нулю, особливо для малих двигунів. Через те, що втрати на холостому ходу (включаючи втрати в міді статора, втрати в залізі, механічні втрати, розсіювання) є відносно великими, кут потужності на холостому ходу дорівнює нулю. Якщо кут потужності на холостому ходу дорівнює нулю, це призведе до великої похибки вимірювання кута потужності. Це може бути використано для забезпечення узгодженості напрямку керування двигуном постійного струму та керування випробувальним двигуном під час роботи двигуна постійного струму. Завдяки керуванню двигуном постійного струму двигун постійного струму може працювати в тому ж стані, що й випробувальний двигун. Це може забезпечити узгодженість керування двигуном постійного струму та керування випробувальним двигуном з двигуном постійного струму, забезпечуючи всі втрати на валу випробувального двигуна (включаючи втрати в залізі, механічні втрати, розсіювання тощо). Метод оцінки полягає в тому, що вхідна потужність випробувального двигуна дорівнює споживанню міді статора, тобто P1 = pCu, а напруга та струм синфазні. Цього разу виміряне θ1 відповідає нульовому степеневому куту.
Короткий зміст: переваги цього методу:
① Метод прямого навантаження може вимірювати індуктивність насичення в стаціонарному стані за різних станів навантаження та не потребує стратегії керування, що є інтуїтивно зрозумілим та простим.
Оскільки вимірювання проводиться безпосередньо під навантаженням, можна врахувати ефект насичення та вплив струму розмагнічування на параметри індуктивності.
Недоліки цього методу:
① Метод прямого навантаження потребує одночасного вимірювання більшої кількості величин (трифазної напруги, трифазного струму, кута коефіцієнта потужності тощо), вимірювання кута потужності є складнішим, а точність випробування кожної величини безпосередньо впливає на точність розрахунків параметрів, і всілякі похибки під час випробування параметрів легко накопичуються. Тому, використовуючи метод прямого навантаження для вимірювання параметрів, слід звернути увагу на аналіз похибок та вибрати вищу точність вимірювального приладу.
② Значення електрорушійної сили збудження E0 у цьому методі вимірювання безпосередньо замінюється напругою на клемах двигуна без навантаження, і це наближення також призводить до притаманних похибок. Оскільки робоча точка постійного магніту змінюється з навантаженням, це означає, що при різних струмах статора проникність та щільність потоку постійного магніту різні, тому результуюча електрорушійна сила збудження також різна. Таким чином, заміна електрорушійної сили збудження під навантаженням електрорушійною силою збудження без навантаження не дуже точна.
Посилання
[1] Тан Реньюань та ін. Сучасна теорія та конструкція двигунів на постійних магнітах. Пекін: Machinery Industry Press. Березень 2011 р.
[2] Дж. Ф. Гірас, М. Вінг. Технологія, конструкція та застосування двигунів на постійних магнітах, 2-ге видання. Нью-Йорк: Марсель Деккер, 2002:170~171
Авторське право: Ця стаття є передруком публічного перегляду номерів WeChat (电机极客), оригінальне посиланняhttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A
Ця стаття не відображає погляди нашої компанії. Якщо у вас є інші думки чи погляди, будь ласка, виправте нас!
Час публікації: 18 липня 2024 р.