I. A szinkron induktivitás mérésének célja és jelentősége
(1) A szinkron induktivitás paramétereinek mérésének célja (azaz a keresztirányú induktivitás)
Az AC és DC induktivitás paraméterei a két legfontosabb paraméter az állandó mágneses szinkronmotorokban. Pontos mérésük előfeltétele és alapja a motor karakterisztikájának kiszámításának, a dinamikus szimulációnak és a fordulatszám-szabályozásnak. A szinkron induktivitás számos állandósult állapotbeli tulajdonság kiszámítására használható, mint például a teljesítménytényező, a hatásfok, a nyomaték, az armatúraáram, a teljesítmény és egyéb paraméterek. A vektorvezérlésű állandó mágneses motorok vezérlőrendszerében a szinkron induktivitás paraméterei közvetlenül részt vesznek a szabályozási algoritmusban, és a kutatási eredmények azt mutatják, hogy a gyenge mágneses tartományban a motorparaméterek pontatlansága a nyomaték és a teljesítmény jelentős csökkenéséhez vezethet. Ez a szinkron induktivitás paramétereinek fontosságát mutatja.
(2) A szinkron induktivitás mérésével kapcsolatos problémák
A nagy teljesítménysűrűség elérése érdekében az állandó mágneses szinkronmotorok szerkezetét gyakran bonyolultabbra tervezik, és a motor mágneses áramköre telítettebb, aminek eredményeként a motor szinkron induktivitási paramétere a mágneses áramkör telítettségével változik. Más szóval, a paraméterek a motor üzemi körülményeivel együtt változnak, és a névleges üzemi körülmények között a szinkron induktivitási paraméterek nem tudják pontosan tükrözni a motorparaméterek jellegét. Ezért szükséges az induktivitási értékek mérése különböző üzemi körülmények között.
2. állandó mágneses motor szinkron induktivitásának mérési módszerei
Ez a tanulmány a szinkron induktivitás mérésének különféle módszereit gyűjti össze, és részletes összehasonlítást és elemzést végez róluk. Ezek a módszerek nagyjából két fő típusba sorolhatók: közvetlen terheléses vizsgálat és közvetett statikus vizsgálat. A statikus vizsgálat tovább oszlik váltakozó áramú statikus vizsgálatra és egyenáramú statikus vizsgálatra. Ma a "Szinkron induktor vizsgálati módszerei" című cikkünk első része a terheléses vizsgálati módszert ismerteti.
Az [1] irodalom bemutatja a közvetlen terhelés módszerének elvét. Az állandó mágneses motorok általában a kettős reakcióelmélet segítségével elemezhetők terheléses működésük elemzésére, és a generátor és a motor működésének fázisdiagramjait az alábbi 1. ábra mutatja. A generátor θ teljesítményszöge pozitív, ahol E0 nagyobb, mint U, a teljesítménytényező szöge φ pozitív, ahol I nagyobb, mint U, és a belső teljesítménytényező szöge ψ pozitív, ahol E0 nagyobb, mint I. A motor θ teljesítményszöge pozitív, ahol U nagyobb, mint E0, a teljesítménytényező szöge φ pozitív, ahol U nagyobb, mint I, és a belső teljesítménytényező szöge ψ pozitív, ahol I nagyobb, mint E0.
1. ábra Az állandó mágneses szinkronmotor működésének fázisdiagramja
(a) Generátor állapota (b) Motor állapota
Ezen fázisdiagram szerint a következőképpen kapható: amikor az állandó mágneses motor terhelés alatt működik, megmérjük a terhelés nélküli gerjesztő elektromotoros erőt E0, az armatúra kapocsfeszültségét U, az áramot I, a teljesítménytényező szögét φ és a teljesítményszöget θ stb., megkapjuk az egyenes tengely armatúraáramát, a kereszttengely komponensét Id = Isin (θ - φ) és Iq = Icos (θ - φ), majd Xd és Xq a következő egyenlettel számíthatók ki:
Amikor a generátor működik:
Xd=[E0-Ucosθ-IR1cos(θ-φ)]/Id (1)
Xq=[Usinθ+IR1sin(θ-φ)]/Iq (2)
Amikor a motor jár:
Xd=[E0-Ucosθ+IR1cos(θ-φ)]/Id (3)
Xq = [Usinθ-IR1sin(θ-φ)]/Iq (4)
Az állandó mágneses szinkronmotorok állandósult állapotának paraméterei a motor üzemi körülményeinek változásával változnak, és az armatúraáram változásával mind az Xd, mind az Xq értéke megváltozik. Ezért a paraméterek meghatározásakor ügyeljen arra, hogy a motor üzemi körülményeit is jelezze. (Váltó és egyenáramú tengelyáram vagy állórészáram nagysága és belső teljesítménytényező szöge)
Az induktív paraméterek közvetlen terheléses mérésének fő nehézsége a θ teljesítményszög mérése. Mint tudjuk, ez a motor U kapocsfeszültsége és a gerjesztő elektromotoros erő közötti fázisszögkülönbség. Stabil motorüzem esetén a végfeszültség közvetlenül meghatározható, de az E0 nem határozható meg közvetlenül, így csak közvetett módszerrel lehet meghatározni, így egy periodikus jelet kapunk, amelynek frekvenciája megegyezik az E0 frekvenciájával, és egy fix fáziskülönbséggel helyettesítjük az E0-t, hogy fázisösszehasonlítást végezhessünk a végfeszültséggel.
A hagyományos közvetett módszerek a következők:
1) A vizsgált motor armatúrahornyába ásott osztástávolságot és a motor eredeti tekercsét több menet finom huzalból mérőtekercsként kell elhelyezni, hogy a vizsgált motor tekercselésével azonos fázist kapjunk feszültség-összehasonlító jellel, és a teljesítménytényező szögének összehasonlításával meghatározzuk.
2) Szereljen fel egy szinkronmotort a vizsgált motor tengelyére, amely azonos a vizsgált motorral. Az alábbiakban ismertetésre kerülő feszültségfázis-mérési módszer [2] ezen az elven alapul. A kísérleti kapcsolási rajz a 2. ábrán látható. A TSM a vizsgált állandó mágneses szinkronmotor, az ASM egy azonos szinkronmotor, amelyre további szükség van, a PM az elsődleges mozgató, amely lehet szinkronmotor vagy egyenáramú motor, a B a fék, a DBO pedig egy kétnyalábos oszcilloszkóp. A TSM és az ASM B és C fázisai az oszcilloszkóphoz vannak csatlakoztatva. Amikor a TSM egy háromfázisú tápegységhez van csatlakoztatva, az oszcilloszkóp a VTSM és az E0ASM jeleket veszi. Mivel a két motor azonos és szinkronban forog, a teszter TSM-jének üresjárási ellenfeszültsége és a generátorként működő ASM, az E0ASM, üresjárási ellenfeszültsége fázisban van. Ezért a θ teljesítményszög, azaz a VTSM és az E0ASM közötti fáziskülönbség mérhető.
2. ábra Kísérleti kapcsolási rajz a teljesítményszög mérésére
Ez a módszer nem túl elterjedt, főként a következők miatt: ① A forgórész tengelyére szerelt kis szinkronmotorok vagy forgótranszformátorok mérendő motorjainak két kinyúló tengelyvége van, ami gyakran nehézkes. ② A teljesítményszög mérésének pontossága nagymértékben függ a VTSM és az E0ASM magas harmonikustartalmától, és ha a harmonikustartalom viszonylag nagy, a mérés pontossága csökken.
3) A teljesítményszög-teszt pontosságának és a könnyű kezelhetőség javítása érdekében most már több pozícióérzékelőt használnak a rotor helyzetjelének érzékelésére, majd a fázis-összehasonlítást a végfeszültség megközelítéssel végzik.
Az alapelv egy vetített vagy visszavert fotoelektromos tárcsa felszerelése a mért állandó mágneses szinkronmotor tengelyére, a tárcsa egyenletesen elosztott furatainak száma vagy fekete-fehér jelölése, valamint a vizsgált szinkronmotor póluspárjainak száma. Amikor a tárcsa egy fordulatot tesz meg a motorral, a fotoelektromos érzékelő p darab rotorhelyzet-jelet vesz fel, és p darab kisfeszültségű impulzust generál. Amikor a motor szinkronban működik, ennek a rotorhelyzet-jelnek a frekvenciája megegyezik az armatúra kapocsfeszültségének frekvenciájával, fázisa pedig tükrözi a gerjesztő elektromotoros erő fázisát. A szinkronizációs impulzusjelet formázással, fáziseltolással és a vizsgált motor armatúrafeszültségével erősítik a fázis-összehasonlításhoz, hogy megkapják a fáziskülönbséget. A motor terhelés nélküli működése esetén a fáziskülönbség θ1 (közelítőleg ekkor a teljesítményszög θ = 0), terhelés alatt a fáziskülönbség θ2, ekkor a θ2 - θ1 fáziskülönbség a mért állandó mágneses szinkronmotor terhelési teljesítményszögének értéke. A vázlatos rajz a 3. ábrán látható.
3. ábra A teljesítményszög mérésének vázlatos rajza
Mivel a fotoelektromos korongon egyenletesen fekete-fehér jelölést kell alkalmazni, a mérés során a szinkronmotor állandó mágneses pólusainak jelölése a korongon nem lehet közös. Az egyszerűség kedvéért a motor tengelyét egy fekete szalaggal körbetekerve, fehér jelöléssel ellátott, a fényvisszaverő fotoelektromos érzékelő fényforrása által kibocsátott fény összegyűlik a szalag felületén lévő körben. Így a motor minden fordulata, a fotoelektromos érzékelő a fényérzékeny tranzisztorban visszavert fényt vesz fel, és egyszer vezeti a fényt, ami egy elektromos impulzusjelet eredményez. Az erősítés és formázás után egy E1 összehasonlító jelet kapunk. A vizsgált motor armatúra tekercsének végétől a PT feszültségváltó alacsony feszültségre kapcsolja le, majd a feszültségkomparátorra küldi, amely az U1 fázisjel téglalap alakú reprezentációját adja. Az U1 p-osztásos frekvenciáját a fáziskomparátor összehasonlítja, hogy összehasonlítsa a fázist és a fáziskomparátort. Az U1 p-osztásos frekvenciáját a fáziskomparátor összehasonlítja a jellel. A fáziskomparátor összehasonlítja a fáziskülönbséget a jellel.
A fenti teljesítményszögmérési módszer hiányossága, hogy a teljesítményszög meghatározásához a két mérés közötti különbséget kell képezni. A két mennyiség kivonásának elkerülése és a pontosság csökkentése érdekében a terhelés fáziskülönbségének (θ2) mérésénél, az U2 jel megfordulásakor a mért fáziskülönbség θ2'=180° - θ2, a teljesítményszög θ=180° - (θ1 + θ2'), amely a két mennyiség fáziskivonásából összeadásba való átszámítását jelenti. A fázismennyiség-diagram a 4. ábrán látható.
4. ábra A fáziskülönbség kiszámításához használt fázisösszeadási módszer elve
Egy másik továbbfejlesztett módszer nem használja a feszültség téglalap alakú hullámforma jel frekvenciaosztását, hanem egy mikroszámítógépet használ a jel hullámformájának egyidejű rögzítésére a bemeneti interfészen keresztül, rögzíti a terhelés nélküli feszültség és a rotorhelyzet jel hullámformáit (U0, E0), valamint a terhelési feszültség és a rotorhelyzet téglalap alakú hullámforma jeleket (U1, E1), majd a két felvétel hullámformáit egymáshoz képest elmozdítja, amíg a két feszültség téglalap alakú hullámforma jel hullámformái teljesen átfedik egymást, amikor a két rotorhelyzet jel közötti fáziskülönbség a teljesítményszög; vagy elmozdítja a hullámformát úgy, hogy a két rotorhelyzet jel hullámformái egybeesjenek, akkor a két feszültségjel közötti fáziskülönbség a teljesítményszög.
Meg kell jegyezni, hogy az állandó mágneses szinkronmotorok tényleges terhelés nélküli működése során a teljesítményszög nem nulla, különösen kis motorok esetében, mivel a terhelés nélküli működés során az üresjárati veszteség (beleértve az állórész rézveszteségét, a vasveszteséget, a mechanikai veszteséget és a kóbor veszteséget) viszonylag nagy. Ha a terhelés nélküli teljesítményszög nulla, az nagy hibát okoz a teljesítményszög mérésében. Ezáltal a motor állapotában működő egyenáramú motor kormányzásának iránya és a tesztmotor kormányzása összhangban lehet az egyenáramú motor kormányzásával. Az egyenáramú motor ugyanabban az állapotban működhet, és az egyenáramú motor tesztmotorként használható. Ezáltal a motor állapotában működő egyenáramú motor kormányzásának és a tesztmotor kormányzásának iránya összhangban lehet az egyenáramú motorral, így a tesztmotor összes tengelyvesztesége (beleértve a vasveszteséget, a mechanikai veszteséget, a kóbor veszteséget stb.) kiegyenlíthető. Az értékelési módszer az, hogy a tesztmotor bemeneti teljesítménye megegyezik az állórész rézfogyasztásával, azaz P1 = pCu, és a feszültség és az áram fázisban van. Ezúttal a mért θ1 a nulla teljesítményszögnek felel meg.
Összefoglalva: a módszer előnyei:
① A közvetlen terheléses módszerrel mérhető az állandósult állapotú telítési induktivitása különböző terhelési állapotok mellett, és nem igényel intuitív és egyszerű szabályozási stratégiát.
Mivel a mérés közvetlenül terhelés alatt történik, a telítési hatás és a demagnetizációs áram induktivitási paraméterekre gyakorolt hatása figyelembe vehető.
A módszer hátrányai:
① A közvetlen terheléses módszernek több mennyiséget kell egyszerre mérnie (háromfázisú feszültség, háromfázisú áram, teljesítménytényező szöge stb.), a teljesítményszög mérése nehezebb, és az egyes mennyiségek vizsgálatának pontossága közvetlen hatással van a paraméterszámítások pontosságára, és a paramétervizsgálat során mindenféle hiba könnyen felhalmozódik. Ezért a közvetlen terheléses módszer használatakor a paraméterek méréséhez figyelmet kell fordítani a hibaelemzésre, és nagyobb pontosságú mérőműszert kell választani.
② Ebben a mérési módszerben a gerjesztő elektromotoros erő E0 értékét közvetlenül a motor terhelés nélküli kapocsfeszültsége helyettesíti, és ez a közelítés szintén hibákat okoz. Mivel az állandó mágnes munkapontja a terheléssel együtt változik, ami azt jelenti, hogy különböző állórészáramok esetén az állandó mágnes permeabilitása és fluxussűrűsége eltérő, így a kapott gerjesztő elektromotoros erő is eltérő. Ily módon nem túl pontos a terhelés alatti gerjesztő elektromotoros erőt a terhelés nélküli gerjesztő elektromotoros erővel helyettesíteni.
Referenciák
[1] Tang Renyuan et al. Modern permanens mágneses motorelmélet és tervezés. Peking: Machinery Industry Press. 2011. március
[2] J. F. Gieras, M. Wing. Állandó mágneses motortechnológia, tervezés és alkalmazások, 2. kiadás. New York: Marcel Dekker, 2002:170~171
Szerzői jog: Ez a cikk a WeChat nyilvános szám motoros betekintésének (电机极客) újranyomtatása, az eredeti link.https://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A
Ez a cikk nem képviseli cégünk álláspontját. Ha eltérő véleménye vagy nézőpontja van, kérjük, javítson ki minket!
Közzététel ideje: 2024. július 18.