Måling af synkron induktans i permanentmagnetmotorer

I. Formålet med og betydningen af ​​måling af synkron induktans
(1) Formål med at måle parametrene for synkron induktans (dvs. tværakse-induktans)
AC- og DC-induktansparametrene er de to vigtigste parametre i en permanentmagnetsynkronmotor. Deres nøjagtige registrering er forudsætningen og grundlaget for beregning af motorkarakteristik, dynamisk simulering og hastighedsregulering. Den synkrone induktans kan bruges til at beregne mange stationære egenskaber såsom effektfaktor, virkningsgrad, drejningsmoment, ankerstrøm, effekt og andre parametre. I styresystemet til en permanentmagnetmotor, der bruger vektorstyring, er de synkrone induktorparametre direkte involveret i kontrolalgoritmen, og forskningsresultaterne viser, at i det svage magnetiske område kan unøjagtigheden af ​​motorparametrene føre til en betydelig reduktion af drejningsmoment og effekt. Dette viser vigtigheden af ​​synkrone induktorparametre.
(2) Problemer, der skal bemærkes ved måling af synkron induktans
For at opnå en høj effekttæthed er strukturen af ​​permanentmagnetsynkronmotorer ofte designet til at være mere kompleks, og motorens magnetiske kredsløb er mere mættet, hvilket resulterer i, at motorens synkrone induktansparameter varierer med mætningen af ​​det magnetiske kredsløb. Med andre ord vil parametrene ændre sig med motorens driftsforhold, og de nominelle driftsforhold for de synkrone induktansparametre kan ikke fuldstændigt afspejle motorparametrenes natur. Derfor er det nødvendigt at måle induktansværdierne under forskellige driftsforhold.
2. Målemetoder for synkron induktans med permanente magnetmotorer
Denne artikel samler forskellige metoder til måling af synkron induktans og foretager en detaljeret sammenligning og analyse af dem. Disse metoder kan groft sagt opdeles i to hovedtyper: direkte belastningstest og indirekte statisk test. Statisk test er yderligere opdelt i statisk AC-test og statisk DC-test. I dag vil den første del af vores "Testmetoder for synkrone induktorer" forklare belastningstestmetoden.

Litteratur [1] introducerer princippet om direkte belastningsmetoden. Permanente magnetmotorer kan normalt analyseres ved hjælp af dobbeltreaktionsteorien til at analysere deres belastningsdrift, og fasediagrammerne for generator- og motordrift er vist i figur 1 nedenfor. Generatorens effektvinkel θ er positiv, hvor E0 overstiger U, effektfaktorvinklen φ er positiv, hvor I overstiger U, og den interne effektfaktorvinkel ψ er positiv, hvor E0 overstiger I. Motorens effektvinkel θ er positiv, hvor U overstiger E0, effektfaktorvinklen φ er positiv, hvor U overstiger I, og den interne effektfaktorvinkel ψ er positiv, hvor I overstiger E0.

Fig. 1 Fasediagram for drift af permanentmagnetsynkronmotor
(a) Generatorens tilstand (b) Motorens tilstand

Ifølge dette fasediagram kan man få: Når permanentmagnetmotoren er i drift, kan den målte tomgangs-excitationselektromotoriske kraft E0, ankerterminalspænding U, strøm I, effektfaktorvinkel φ og effektvinkel θ osv. opnås. Ankerstrømmen for den lige akse kan opnås, hvor tværaksekomponenten Id = Isin (θ - φ) og Iq = Icos (θ - φ), så kan Xd og Xq fås fra følgende ligning:

Når generatoren kører:

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

Når motoren kører:

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

Parametrene for permanentmagnetsynkronmotorer ændrer sig i takt med at motorens driftsbetingelser ændres, og når ankerstrømmen ændres, ændres både Xd og Xq. Derfor skal motorens driftsbetingelser også angives, når parametrene bestemmes. (Mængden af ​​vekselstrøm og jævnstrøm eller statorstrøm og intern effektfaktorvinkel)

Den største vanskelighed ved måling af induktive parametre ved hjælp af den direkte belastningsmetode ligger i målingen af ​​effektvinklen θ. Som bekendt er det fasevinkelforskellen mellem motorens terminalspænding U og den elektromotoriske excitationskraft. Når motoren kører stabilt, kan slutspændingen bestemmes direkte, men E0 kan ikke bestemmes direkte, så den kan kun bestemmes ved en indirekte metode for at opnå et periodisk signal med samme frekvens som E0 og en fast faseforskel til at erstatte E0 for at foretage en fasesammenligning med slutspændingen.

De traditionelle indirekte metoder er:
1) I ankerpladsen på den testede motor anvendes flere vindinger af en fin tråd som målespole for at opnå samme fasespænding som den testede motorvikling. Ved at sammenligne effektfaktorvinklen kan man opnå.
2) Installer en synkronmotor på akslen på den testede motor, som er identisk med den testede motor. Spændingsfasemålingsmetoden [2], som vil blive beskrevet nedenfor, er baseret på dette princip. Det eksperimentelle forbindelsesdiagram er vist i figur 2. TSM er den permanentmagnetiske synkronmotor, der testes, ASM er en identisk synkronmotor, der yderligere kræves, PM er drivmotoren, som kan være enten en synkronmotor eller en DC-motor, B er bremsen, og DBO er et dobbeltstråleoscilloskop. Faserne B og C i TSM og ASM er forbundet til oscilloskopet. Når TSM er tilsluttet en trefaset strømforsyning, modtager oscilloskopet signalerne VTSM og E0ASM. Fordi de to motorer er identiske og roterer synkront, er testerens tomgangspotentiale for TSM og tomgangspotentialet for ASM, der fungerer som en generator, E0ASM, i fase. Derfor kan effektvinklen θ, dvs. faseforskellen mellem VTSM og E0ASM, måles.

Fig. 2 Eksperimentelt ledningsdiagram til måling af effektvinkel

Denne metode er ikke særlig almindeligt anvendt, primært fordi: 1. Hvis den lille synkronmotor eller rotationstransformator er monteret i rotorakslen, skal motoren have to udstrakte aksler, hvilket ofte er vanskeligt at måle. 2. Nøjagtigheden af ​​effektvinkelmålingen afhænger i høj grad af det høje harmoniske indhold af VTSM og E0ASM, og hvis det harmoniske indhold er relativt stort, vil målenøjagtigheden blive reduceret.
3) For at forbedre nøjagtigheden og brugervenligheden af ​​effektvinkeltesten, bruges positionssensorer nu mere til at detektere rotorpositionssignalet og derefter fasesammenligning med slutspændingsmetoden.
Grundprincippet er at installere en projiceret eller reflekteret fotoelektrisk skive på akslen på den målte permanentmagnetsynkronmotor, antallet af ensartet fordelte huller på skiven eller sorte og hvide markører og antallet af polpar på den synkronmotor, der testes. Når skiven roterer en omdrejning med motoren, modtager den fotoelektriske sensor p rotorpositionssignaler og genererer p lavspændingspulser. Når motoren kører synkront, er frekvensen af ​​dette rotorpositionssignal lig med frekvensen af ​​ankerterminalspændingen, og dens fase afspejler fasen af ​​den excitationselektromotoriske kraft. Synkroniseringspulssignalet forstærkes ved formning, faseforskydning og testmotorankerspænding for fasesammenligning for at få faseforskellen. Når motoren er indstillet til at være i tomgang, er faseforskellen θ1 (omtrentligt at effektvinklen θ = 0 på dette tidspunkt), når belastningen kører, er faseforskellen θ2, så er faseforskellen θ2 - θ1 den målte effektvinkelværdi for den permanentmagnetsynkronmotor. Skematisk diagram er vist i figur 3.

Fig. 3 Skematisk diagram over effektvinkelmåling

Da det er vanskeligere at markere den fotoelektriske skive ensartet med sorte og hvide mærker, kan det være vanskeligt at måle den synkrone permanentmagnetmotors poler samtidig, og når de målte poler på den synkrone permanentmagnetmotor ikke er fælles med hinanden, kan mærkeskiven ikke være fælles med hinanden. For enkelhedens skyld kan man også teste permanentmagnetmotorens drivaksel, der er pakket ind i en cirkel af sort tape, og derefter belægge den med et hvidt mærke. Den reflekterende fotoelektriske sensor udsender lyset fra denne cirkel på tapens overflade. På denne måde modtager den fotoelektriske sensor i den lysfølsomme transistor et reflekteret lys, der leder og leder én gang, hvilket resulterer i et elektrisk pulssignal. Efter forstærkning og formning får man et sammenligningssignal E1. Fra testmotorens ankerviklingsende til en hvilken som helst tofaset spænding sendes spændingstransformeren PT ned til en lav spænding og sendes til spændingskomparatoren. Spændingspulssignalet U1 repræsenterer en repræsentativ fase af U1. Ved at sammenligne U1 med p-frekvensen sammenlignes faseforskellen med fasekomparatoren. Ved at sammenligne U1 med p-frekvensen sammenlignes faseforskellen med faseforskellen med fasekomparatoren.
Ulempen ved ovenstående effektvinkelmålingsmetode er, at forskellen mellem de to målinger skal beregnes for at opnå effektvinklen. For at undgå at de to størrelser trækkes fra og reducere nøjagtigheden, er den målte faseforskel θ2'=180° - θ2, effektvinklen θ=180° - (θ1 + θ2'), ved måling af belastningsfaseforskellen θ2, U2-signalomvendingen, θ2'=180° - (θ1 + θ2'), hvilket konverterer de to størrelser fra subtraktionen af ​​fasen til additionen. Fasemængdediagrammet er vist i figur 4.

Fig. 4 Princip for faseadditionsmetoden til beregning af faseforskel

En anden forbedret metode bruger ikke frekvensdeling af spændingsrektangulære bølgeformsignaler, men bruger en mikrocomputer til samtidig at optage signalbølgeformen via inputgrænsefladen. Optager henholdsvis ubelastet spænding og rotorpositionssignalbølgeformerne U0, E0, samt belastningsspænding og rotorpositionsrektangulære bølgeformsignaler U1, E1, og flytter derefter bølgeformerne for de to optagelser i forhold til hinanden, indtil bølgeformerne for de to rektangulære spændingsbølgeformsignaler overlapper hinanden fuldstændigt. Når faseforskellen mellem de to rotorpositionssignaler er effektvinklen; eller flytter man bølgeformen, så de to rotorpositionssignalbølgeformer falder sammen, er faseforskellen mellem de to spændingssignaler effektvinklen.
Det skal bemærkes, at effektvinklen ved faktisk drift uden belastning for permanentmagnetsynkronmotorer ikke er nul, især for små motorer. På grund af tabet uden belastning (inklusive statorkobbertab, jerntab, mekanisk tab og spredningstab) er effektvinklen ved tomgang relativt stor. Hvis effektvinklen uden belastning er nul, vil det forårsage en stor målefejl. Dette kan bruges til at sikre, at DC-motoren kører i motorens tilstand, og at styreretningen og testmotorens styring er konsistente. Med DC-motorens styring kan DC-motoren køre i samme tilstand, og DC-motoren kan bruges som testmotor. Dette kan gøre, at DC-motoren kører i motorens tilstand, og at styreretningen og testmotorens styring er konsistente, og at DC-motoren giver alle akseltabene i testmotoren (inklusive jerntab, mekanisk tab, spredningstab osv.). Bedømmelsesmetoden er, at testmotorens indgangseffekt er lig med statorkobberforbruget, dvs. P1 = pCu, og spænding og strøm er i fase. Denne gang svarer den målte θ1 til potensvinklen nul.
Resumé: fordelene ved denne metode:
① Den direkte belastningsmetoden kan måle mætningsinduktansen i stationær tilstand under forskellige belastningstilstande og kræver ikke en kontrolstrategi, som er intuitiv og enkel.
Da målingen foretages direkte under belastning, kan der tages højde for mætningseffekten og indflydelsen af ​​demagnetiseringsstrømmen på induktansparametrene.
Ulemper ved denne metode:
① Den direkte belastningsmetoden skal måle flere størrelser på samme tid (trefasespænding, trefasestrøm, effektfaktorvinkel osv.). Målingen af ​​effektvinklen er vanskeligere, og nøjagtigheden af ​​testen af ​​hver størrelse har en direkte indflydelse på nøjagtigheden af ​​parameterberegningerne, og alle slags fejl i parametertesten er lette at akkumulere. Derfor bør man, når man bruger den direkte belastningsmetoden til at måle parametrene, være opmærksom på fejlanalysen og vælge et testinstrument med højere nøjagtighed.
② Værdien af ​​den exciterende elektromotoriske kraft E0 i denne målemetode erstattes direkte af motorens terminalspænding ved tomgang, og denne tilnærmelse medfører også iboende fejl. Da permanentmagnetens driftspunkt ændrer sig med belastningen, betyder det, at permanentmagnetens permeabilitet og fluxtæthed er forskellig ved forskellige statorstrømme, så den resulterende exciterende elektromotoriske kraft også er forskellig. På denne måde er det ikke særlig nøjagtigt at erstatte den exciterende elektromotoriske kraft under belastning med den exciterende elektromotoriske kraft ved tomgang.
Referencer
[1] Tang Renyuan et al. Moderne permanentmagnetmotorteori og design. Beijing: Machinery Industry Press. Marts 2011
[2] JF Gieras, M. Wing. Permanentmagnetmotorteknologi, design og anvendelser, 2. udg. New York: Marcel Dekker, 2002:170~171
Ophavsret: Denne artikel er et genoptryk af WeChat public number motor peek (电机极客), det originale linkhttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A

Denne artikel repræsenterer ikke vores virksomheds synspunkter. Hvis du har andre meninger eller synspunkter, bedes du rette os!