I. Цель и значение измерения синхронной индуктивности
(1)Цель измерения параметров синхронной индуктивности (т.е. поперечной индуктивности)
Параметры индуктивности переменного и постоянного тока являются двумя важнейшими параметрами синхронного двигателя с постоянными магнитами. Их точное определение является предпосылкой и основой для расчёта характеристик двигателя, динамического моделирования и управления скоростью. Синхронная индуктивность может быть использована для расчёта многих стационарных характеристик, таких как коэффициент мощности, КПД, крутящий момент, ток якоря, мощность и других параметров. В системе управления двигателем с постоянными магнитами с векторным управлением параметры синхронного индуктора непосредственно участвуют в алгоритме управления, и результаты исследований показывают, что в области слабых магнитных полей неточность параметров двигателя может привести к значительному снижению крутящего момента и мощности. Это подтверждает важность параметров синхронного индуктора.
(2) Проблемы, которые следует учитывать при измерении синхронной индуктивности
Для достижения высокой удельной мощности синхронные двигатели с постоянными магнитами часто проектируются более сложными, а магнитная цепь двигателя более насыщенной, что приводит к изменению параметра синхронной индуктивности двигателя в зависимости от насыщения магнитной цепи. Другими словами, параметры будут меняться в зависимости от условий эксплуатации двигателя, и номинальные рабочие параметры синхронной индуктивности не могут точно отражать характер параметров двигателя. Поэтому необходимо измерять значения индуктивности в различных рабочих условиях.
2. Методы измерения синхронной индуктивности двигателя с постоянными магнитами
В данной статье рассматриваются различные методы измерения синхронной индуктивности, проводится их подробное сравнение и анализ. Эти методы можно условно разделить на два основных типа: прямое нагрузочное испытание и косвенное статическое испытание. Статические испытания, в свою очередь, подразделяются на статические испытания на переменном токе и статические испытания на постоянном токе. В первой части нашей серии «Методы испытаний синхронных индуктивностей» мы расскажем о методе нагрузочного испытания.
В литературе [1] представлен принцип метода прямой нагрузки. Двигатели с постоянными магнитами обычно можно анализировать, используя теорию двойной реакции для анализа их работы под нагрузкой. Фазовые диаграммы работы генератора и двигателя показаны на рисунке 1 ниже. Угол мощности θ генератора положителен, когда E0 превышает U, угол коэффициента мощности φ положителен, когда I превышает U, а угол внутреннего коэффициента мощности ψ положителен, когда E0 превышает I. Угол мощности θ двигателя положителен, когда U превышает E0, угол коэффициента мощности φ положителен, когда U превышает I, а угол внутреннего коэффициента мощности ψ положителен, когда I превышает E0.
Рис. 1 Фазовая диаграмма работы синхронного двигателя с постоянными магнитами
(а) Состояние генератора (б) Состояние двигателя
Согласно этой фазовой диаграмме можно получить: при работе нагрузки двигателя с постоянными магнитами, измеряя электродвижущую силу возбуждения холостого хода E0, напряжение на клеммах якоря U, ток I, угол коэффициента мощности φ и угол мощности θ и т. д., можно получить ток якоря по прямой оси, поперечную составляющую Id = Isin (θ - φ) и Iq = Icos (θ - φ), затем Xd и Xq можно получить из следующего уравнения:
Когда генератор работает:
Xd=[E0-Ucosθ-IR1cos(θ-φ)]/Id (1)
Xq=[Usinθ+IR1sin(θ-φ)]/Iq (2)
При работающем двигателе:
Xd=[E0-Ucosθ+IR1cos(θ-φ)]/Id (3)
Xq=[Usinθ-IR1sin(θ-φ)]/Iq (4)
Параметры установившегося режима синхронных двигателей с постоянными магнитами изменяются при изменении условий работы двигателя, а при изменении тока якоря изменяются как Xd, так и Xq. Поэтому при определении параметров необходимо также учитывать условия работы двигателя (сумму переменного и постоянного тока на валу или тока статора и угол внутреннего коэффициента мощности).
Основная сложность измерения индуктивных параметров методом прямой нагрузки заключается в измерении угла мощности θ. Как известно, это разность фаз между напряжением на зажимах двигателя U и электродвижущей силой возбуждения. При устойчивой работе двигателя конечное напряжение можно получить напрямую, но E0 получить напрямую невозможно, поэтому его можно получить только косвенным методом, получая периодический сигнал с той же частотой, что и E0, и фиксированной разностью фаз, заменяющей E0, для сравнения фаз с конечным напряжением.
Традиционные косвенные методы:
1) В пазу якоря испытуемого двигателя заглублен шаг и исходная катушка двигателя из нескольких витков тонкого провода в качестве измерительной катушки, чтобы получить одинаковую фазу с обмоткой испытуемого двигателя, сигнал сравнения напряжения, посредством сравнения можно получить угол коэффициента мощности.
2) Установите синхронный двигатель на вал испытуемого двигателя, идентичный испытуемому двигателю. Метод измерения фазы напряжения [2], который будет описан ниже, основан на этом принципе. Экспериментальная схема подключения показана на рисунке 2. TSM - это испытуемый синхронный двигатель с постоянными магнитами, ASM - это идентичный синхронный двигатель, который требуется дополнительно, PM - это первичный двигатель, который может быть как синхронным двигателем, так и двигателем постоянного тока, B - тормоз, а DBO - двухлучевой осциллограф. Фазы B и C TSM и ASM подключены к осциллографу. Когда TSM подключен к трехфазному источнику питания, осциллограф получает сигналы VTSM и E0ASM. Поскольку два двигателя идентичны и вращаются синхронно, обратный потенциал холостого хода TSM тестера и обратный потенциал холостого хода ASM, который действует как генератор, E0ASM, находятся в фазе. Таким образом, можно измерить угол мощности θ, т. е. разность фаз между VTSM и E0ASM.
Рис. 2 Экспериментальная схема подключения для измерения угла мощности
Этот метод не очень широко применяется, главным образом потому, что: ① в роторе установлен небольшой синхронный двигатель или вращающийся трансформатор, требующий измерения, двигатель имеет два выдвинутых конца вала, что часто бывает трудно сделать. ② Точность измерения угла мощности во многом зависит от высокого содержания гармоник VTSM и E0ASM, и если содержание гармоник относительно велико, точность измерения будет снижена.
3) Для повышения точности проверки угла мощности и простоты использования теперь чаще используются датчики положения для обнаружения сигнала положения ротора, а затем сравнение фазы с конечным напряжением.
Основной принцип заключается в установке проецируемого или отраженного фотоэлектрического диска на вал измеряемого синхронного двигателя с постоянными магнитами, количества равномерно распределенных отверстий на диске или черно-белых маркеров и количества пар полюсов испытуемого синхронного двигателя. Когда диск вращается на один оборот вместе с двигателем, фотоэлектрический датчик получает p сигналов положения ротора и генерирует p импульсов низкого напряжения. Когда двигатель работает синхронно, частота этого сигнала положения ротора равна частоте напряжения на клеммах якоря, а его фаза отражает фазу электродвижущей силы возбуждения. Сигнал импульса синхронизации усиливается путем формирования, сдвига фазы и напряжения якоря испытуемого двигателя для сравнения фаз, чтобы получить разность фаз. Установите, когда двигатель работает на холостом ходу, разность фаз составляет θ1 (приблизительно, что в это время угол мощности θ = 0), когда нагрузка работает, разность фаз составляет θ2, тогда разность фаз θ2 - θ1 является измеренным значением угла мощности нагрузки синхронного двигателя с постоянными магнитами. Принципиальная схема представлена на рисунке 3.
Рис. 3 Принципиальная схема измерения угла опережения зажигания
Как и в случае с фотоэлектрическим диском, равномерно покрытым чёрно-белой меткой, это сложнее, и когда измеряются полюса синхронного двигателя с постоянными магнитами, одновременно маркировка диска может не совпадать друг с другом. Для упрощения, также можно проверить вал привода двигателя с постоянными магнитами, обёрнутый в круг чёрной ленты, покрытой белой меткой, отражающий фотоэлектрический датчик источника света, излучаемый светом, собранным в этом круге на поверхности ленты. Таким образом, каждый оборот двигателя, фотоэлектрический датчик в фоточувствительном транзисторе должен принимать отражённый свет и проводить один раз, в результате чего возникает электрический импульсный сигнал, который после усиления и формирования, чтобы получить сигнал сравнения E1. С конца обмотки якоря испытуемого двигателя любое двухфазное напряжение, с помощью трансформатора напряжения PT, подается на компаратор напряжения, формируя представительную прямоугольную фазу импульсного сигнала напряжения U1. U1 с помощью p-деления частоты, сравнение фазового компаратора для получения сравнения между фазой и фазовым компаратором. U1 по частоте p-деления, фазовым компаратором для сравнения его разности фаз с сигналом.
Недостатком описанного выше метода измерения угла мощности является необходимость вычисления разницы между двумя измерениями для получения угла мощности. Чтобы избежать вычитания двух величин и снижения точности, при измерении разности фаз нагрузки θ2, инверсии сигнала U2, измеряемая разность фаз равна θ2'=180° - θ2, а угол мощности θ=180° - (θ1 + θ2'), что позволяет преобразовать две величины из вычитания фазы в сложение. Диаграмма фазовых величин представлена на рис. 4.
Рис. 4 Принцип метода сложения фаз для расчета разности фаз
Другой усовершенствованный метод не использует частотное разделение сигнала прямоугольной формы напряжения, а использует микрокомпьютер для одновременной записи формы сигнала, соответственно, через входной интерфейс, записывает формы сигналов напряжения холостого хода и положения ротора U0, E0, а также сигналы напряжения нагрузки и положения ротора U1, E1, а затем перемещает формы сигналов двух записей относительно друг друга до тех пор, пока формы сигналов двух прямоугольных сигналов напряжения полностью не перекроются, когда разность фаз между двумя сигналами положения ротора равна углу мощности; или перемещает форму сигнала до совпадения двух форм сигналов положения ротора, тогда разность фаз между двумя сигналами напряжения равна углу мощности.
Следует отметить, что при фактической работе синхронного двигателя с постоянными магнитами на холостом ходу угол мощности не равен нулю, особенно для маломощных двигателей, из-за относительно больших потерь холостого хода (включая потери в меди статора, потери в стали, механические потери, паразитные потери). Если считать, что угол мощности холостого хода равен нулю, то это приведет к большой погрешности измерения угла мощности. Этот угол может быть использован для согласования направления вращения двигателя постоянного тока и управления испытательным двигателем. При управлении двигателем постоянного тока двигатель постоянного тока может работать в том же режиме, что и двигатель постоянного тока, обеспечивая согласование направления вращения двигателя постоянного тока и управления испытательным двигателем с двигателем постоянного тока, чтобы компенсировать все потери на валу испытательного двигателя (включая потери в стали, механические потери, паразитные потери и т. д.). Метод оценки заключается в том, что входная мощность испытательного двигателя равна потреблению меди статора, то есть P1 = pCu, а напряжение и ток синфазны. На этот раз измеренное значение θ1 соответствует нулевому углу мощности.
Резюме: преимущества данного метода:
① Метод прямой нагрузки позволяет измерять индуктивность насыщения в установившемся режиме при различных состояниях нагрузки и не требует стратегии управления, что является интуитивно понятным и простым.
Поскольку измерение производится непосредственно под нагрузкой, можно учесть эффект насыщения и влияние тока размагничивания на параметры индуктивности.
Недостатки этого метода:
① Метод прямой нагрузки требует одновременного измерения большего количества величин (трёхфазное напряжение, трёхфазный ток, угол коэффициента мощности и т. д.). Измерение угла мощности сложнее, а точность измерения каждой величины напрямую влияет на точность расчёта параметров, а всевозможные ошибки при измерении параметров легко накапливаются. Поэтому при использовании метода прямой нагрузки для измерения параметров следует уделять внимание анализу погрешностей и выбирать испытательный прибор с более высокой точностью.
② В этом методе измерения значение ЭДС возбуждения E0 напрямую заменяется напряжением на зажимах двигателя без нагрузки, что также приводит к неизбежным ошибкам. Поскольку рабочая точка постоянного магнита изменяется с нагрузкой, а это означает, что при различных токах статора проницаемость и плотность потока постоянного магнита различны, а результирующая ЭДС возбуждения также различна. Таким образом, замена ЭДС возбуждения под нагрузкой на ЭДС возбуждения без нагрузки не очень точна.
Ссылки
[1] Тан Рэньюань и др. Теория и конструкция современных двигателей с постоянными магнитами. Пекин: Machinery Industry Press. Март 2011 г.
[2] Дж. Ф. Гиерас, М. Уинг. Технология, конструкция и применение двигателей с постоянными магнитами, 2-е изд. Нью-Йорк: Марсель Деккер, 2002:170–171
Авторские права: Эта статья является перепечаткой общедоступного номера WeChat Motor Peek (电机极客), исходная ссылкаhttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A
Эта статья не отражает точку зрения нашей компании. Если у вас другое мнение или взгляды, пожалуйста, поправьте нас!
Время публикации: 18 июля 2024 г.