Mätning av synkron induktans hos permanentmagnetmotorer

I. Syftet med och betydelsen av att mäta synkron induktans
(1) Syfte med att mäta parametrarna för synkron induktans (dvs. tväraxelinduktans)
AC- och DC-induktansparametrarna är de två viktigaste parametrarna i en permanentmagnetsynkronmotor. Deras noggranna inventering är en förutsättning och grund för beräkning av motorkarakteristik, dynamisk simulering och hastighetsreglering. Den synkrona induktansen kan användas för att beräkna många stationära egenskaper, såsom effektfaktor, verkningsgrad, vridmoment, ankarström, effekt och andra parametrar. I styrsystemet för permanentmagnetmotorer som använder vektorreglering är de synkrona induktorparametrarna direkt involverade i styralgoritmen, och forskningsresultaten visar att i det svaga magnetiska området kan motorparametrarnas felaktigheter leda till en betydande minskning av vridmoment och effekt. Detta visar vikten av synkrona induktorparametrar.
(2) Problem att notera vid mätning av synkron induktans
För att uppnå en hög effekttäthet är strukturen hos permanentmagnetsynkronmotorer ofta konstruerad för att vara mer komplex, och motorns magnetiska krets är mer mättad, vilket resulterar i att motorns synkrona induktansparameter varierar med mättnaden av magnetkretsen. Med andra ord kommer parametrarna att ändras med motorns driftsförhållanden, och de nominella driftsförhållandena för de synkrona induktansparametrarna kan inte helt korrekt återspegla motorparametrarnas natur. Därför är det nödvändigt att mäta induktansvärdena under olika driftsförhållanden.
2. Metoder för mätning av synkron induktans hos permanentmagnetmotorer
Denna artikel samlar olika metoder för att mäta synkron induktans och gör en detaljerad jämförelse och analys av dem. Dessa metoder kan grovt sett kategoriseras i två huvudtyper: direkt lasttestning och indirekt statisk testning. Statisk testning är vidare indelad i statisk AC-testning och statisk DC-testning. Idag kommer den första delen av våra "Testmetoder för synkrona induktorer" att förklara lasttestmetoden.

Litteratur [1] introducerar principen för direktbelastningsmetoden. Permanentmagnetmotorer kan vanligtvis analyseras med hjälp av dubbelreaktionsteorin för att analysera deras belastningsoperation, och fasdiagrammen för generator- och motordrift visas i figur 1 nedan. Generatorns effektvinkel θ är positiv med E0 som överstiger U, effektfaktorvinkeln φ är positiv med I som överstiger U, och den interna effektfaktorvinkeln ψ är positiv med E0 som överstiger I. Motorns effektvinkel θ är positiv med U som överstiger E0, effektfaktorvinkeln φ är positiv med U som överstiger I, och den interna effektfaktorvinkeln ψ är positiv med I som överstiger E0.

Fig. 1 Fasdiagram för drift av permanentmagnetsynkronmotor
(a) Generatorns tillstånd (b) Motorns tillstånd

Enligt detta fasdiagram kan man erhålla: när permanentmagnetmotorn är belastad, mäts den elektromotoriska excitationskraften E0 vid tomgång, ankarspänningen U, strömmen I, effektfaktorvinkeln φ och effektvinkeln θ etc., vilket kan erhållas för den raka axeln, tväraxelkomponenten Id = Isin (θ - φ) och Iq = Icos (θ - φ), då kan Xd och Xq erhållas från följande ekvation:

När generatorn är igång:

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

När motorn är igång:

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

Parametrarna för permanentmagnetsynkronmotorer ändras i takt med att motorns driftsförhållanden ändras, och när ankarströmmen ändras ändras både Xd och Xq. Var därför noga med att även ange motorns driftsförhållanden när du bestämmer parametrarna. (Mängd växel- och likström eller statorström och intern effektfaktorvinkel)

Den största svårigheten vid mätning av induktiva parametrar med direktbelastningsmetoden ligger i mätningen av effektvinkeln θ. Som vi vet är det fasvinkelskillnaden mellan motorns terminalspänning U och excitationselektromotoriska kraften. När motorn går stabilt kan slutspänningen erhållas direkt, men E0 kan inte erhållas direkt, så den kan endast erhållas med en indirekt metod för att erhålla en periodisk signal med samma frekvens som E0 och en fast fasskillnad för att ersätta E0 för att göra en fasjämförelse med slutspänningen.

De traditionella indirekta metoderna är:
1) I ankarspåret på den testade motorn används flera varv av fin tråd som mätspole för att erhålla samma fasspänning som den testade motorlindningen. Genom att jämföra effektfaktorvinkeln kan man erhålla den.
2) Installera en synkronmotor på axeln på den testade motorn som är identisk med den testade motorn. Spänningsfasmätningsmetoden [2], som beskrivs nedan, är baserad på denna princip. Det experimentella kopplingsschemat visas i figur 2. TSM är den permanentmagnetiska synkronmotorn som testas, ASM är en identisk synkronmotor som dessutom krävs, PM är drivmotorn, som kan vara antingen en synkronmotor eller en likströmsmotor, B är bromsen och DBO är ett dubbelstråleoscilloskop. Faserna B och C i TSM och ASM är anslutna till oscilloskopet. När TSM är ansluten till en trefasströmförsörjning tar oscilloskopet emot signalerna VTSM och E0ASM. Eftersom de två motorerna är identiska och roterar synkront, är tomgångsmotpotentialen för testarens TSM och tomgångsmotpotentialen för ASM, som fungerar som en generator, E0ASM, i fas. Därför kan effektvinkeln θ, dvs. fasskillnaden mellan VTSM och E0ASM, mätas.

Fig. 2 Experimentellt kopplingsschema för mätning av effektvinkel

Denna metod används inte särskilt ofta, främst på grund av: 1. En liten synkronmotor eller rotationstransformator är monterad i rotoraxeln och måste mätas eftersom motorn har två axlar med utsträckta ändar, vilket ofta är svårt att göra. 2. Noggrannheten i effektvinkelmätningen beror till stor del på det höga harmoniska innehållet i VTSM och E0ASM, och om harmoniskt innehåll är relativt stort kommer mätnoggrannheten att minska.
3) För att förbättra noggrannheten och användarvänligheten vid effektvinkeltestet används nu mer positionssensorer för att detektera rotorns positionssignal, och sedan fasjämförelse med slutspänningsmetoden.
Grundprincipen är att installera en projicerad eller reflekterad fotoelektrisk skiva på axeln på den uppmätta permanentmagnetsynkronmotorn, antalet jämnt fördelade hål på skivan eller svartvita markörer och antalet polpar på den synkronmotor som testas. När skivan roterar ett varv med motorn tar den fotoelektriska sensorn emot p rotorpositionssignaler och genererar p lågspänningspulser. När motorn går synkront är frekvensen för denna rotorpositionssignal lika med frekvensen för ankarets terminalspänning, och dess fas reflekterar fasen för den exciterande elektromotoriska kraften. Synkroniseringspulssignalen förstärks genom formning, fasförskjutning och testmotorns ankarspänning för fasjämförelse för att få fasskillnaden. När motorn är i tomgångsdrift är fasskillnaden θ1 (ungefär att effektvinkeln θ = 0 vid denna tidpunkt), när lasten är igång är fasskillnaden θ2, då är fasskillnaden θ2 - θ1 det uppmätta värdet för belastningseffektvinkeln för permanentmagnetsynkronmotorn. Det schematiska diagrammet visas i figur 3.

Fig. 3 Schematiskt diagram över effektvinkelmätning

Eftersom det är svårare att mäta den fotoelektriska skivan med en jämn svart och vit markering, är det svårare att mäta polerna på den synkrona permanentmagnetmotorn samtidigt som markeringsskivan inte är gemensam. För enkelhetens skull kan man också testa permanentmagnetmotorns drivaxel med en svart tejp, täckt med en vit markering. Den reflekterande fotoelektriska sensorn som avger ljuset samlas i denna cirkel på tejpens yta. På så sätt tar den fotoelektriska sensorn i den ljuskänsliga transistorn emot ett reflekterat ljus och leds en gång, vilket resulterar i en elektrisk pulssignal. Efter förstärkning och formning får man en jämförelsesignal E1. Från testmotorns ankarlindningsände får en tvåfasspänning via spänningstransformatorn PT en låg spänning som skickas till spänningsjämföraren. Därigenom bildas en representativ rektangulär fas för spänningspulssignalen U1. U1 mäts med p-frekvensen och jämförs med fasjämföraren för att få en jämförelse mellan fasen och fasjämföraren. U1 mäts med p-frekvensen och jämförs med fasjämföraren genom att jämföra fasskillnaden med fasskillnaden.
Nackdelen med ovanstående effektvinkelmätningsmetod är att skillnaden mellan de två mätningarna bör göras för att erhålla effektvinkeln. För att undvika att två kvantiteter subtraheras och minska noggrannheten, vid mätning av belastningens fasskillnad θ2, U2-signalens omkastning, är den uppmätta fasskillnaden θ2'=180 ° - θ2, effektvinkeln θ=180 ° - (θ1 + θ2'), vilket omvandlar de två kvantiteterna från subtraktionen av fasen till additionen. Faskvantitetsdiagrammet visas i figur 4.

Fig. 4 Princip för fasadditionsmetoden för beräkning av fasskillnad

En annan förbättrad metod använder inte frekvensdelning av spänningsrektangulära vågformssignaler, utan använder en mikrodator för att samtidigt registrera signalvågformen via ingångsgränssnittet, registrera tomgångsspännings- och rotorpositionssignalvågformerna U0, E0, såväl som lastspännings- och rotorpositionsrektangulära vågformssignaler U1, E1, och flyttar sedan vågformerna för de två inspelningarna i förhållande till varandra tills vågformerna för de två rektangulära spänningssignalerna överlappar varandra helt. När fasskillnaden mellan de två rotorpositionssignalerna är effektvinkeln; eller om vågformen flyttas så att de två rotorpositionssignalerna sammanfaller, är fasskillnaden mellan de två spänningssignalerna effektvinkeln.
Det bör påpekas att effektvinkeln vid faktisk tomgångsdrift för permanentmagnetsynkronmotorer inte är noll, särskilt för små motorer. På grund av tomgångsdrift är förlusterna (inklusive statorkopparförlust, järnförlust, mekanisk förlust och lös förlust) relativt stora. Om man tror att effektvinkeln vid tomgångsdrift är noll, kommer det att orsaka ett stort fel i mätningen av effektvinkeln. Detta kan användas för att göra likströmsmotorn i motorns driftläge, styrningens riktning och testmotorns styrning konsekventa. Med likströmsmotorns styrning kan likströmsmotorn köras i samma tillstånd och användas som testmotor. Detta kan göra att likströmsmotorn i motorns driftläge är konsekvent, styrningen och testmotorns styrning, vilket ger alla testmotorns axelförluster (inklusive järnförlust, mekanisk förlust, lös förlust, etc.). Bedömningsmetoden är att testmotorns ingångseffekt är lika med statorkopparförbrukningen, det vill säga P1 = pCu, och spänningen och strömmen är i fas. Denna gång motsvarar den uppmätta θ1 effektvinkeln noll.
Sammanfattning: fördelarna med denna metod:
① Den direkta belastningsmetoden kan mäta mättnadsinduktansen i stationärt tillstånd under olika belastningstillstånd och kräver ingen kontrollstrategi, vilket är intuitivt och enkelt.
Eftersom mätningen görs direkt under belastning kan mättningseffekten och inverkan av avmagnetiseringsströmmen på induktansparametrarna beaktas.
Nackdelar med denna metod:
① Direktbelastningsmetoden behöver mäta fler kvantiteter samtidigt (trefasspänning, trefasström, effektfaktorvinkel, etc.). Mätningen av effektvinkeln är svårare, och noggrannheten i testet för varje kvantitet har en direkt inverkan på noggrannheten i parameterberäkningarna, och alla typer av fel i parametertestet är lätta att ackumulera. Därför, när man använder direktbelastningsmetoden för att mäta parametrarna, bör man vara uppmärksam på felanalysen och välja ett testinstrument med högre noggrannhet.
② Värdet på excitationselektromotoriska kraften E0 i denna mätmetod ersätts direkt av motorns terminalspänning vid tomgång, och denna approximation medför också inneboende fel. Eftersom permanentmagnetens arbetspunkt ändras med belastningen, vilket innebär att permanentmagnetens permeabilitet och flödestäthet är olika vid olika statorströmmar, så är den resulterande excitationselektromotoriska kraften också olika. På detta sätt är det inte särskilt noggrant att ersätta excitationselektromotoriska kraften under belastning med excitationselektromotoriska kraften vid tomgång.
Referenser
[1] Tang Renyuan et al. Modern permanentmagnetmotorteori och design. Peking: Machinery Industry Press. Mars 2011
[2] JF Gieras, M. Wing. Permanentmagnetmotorteknik, design och tillämpningar, 2:a uppl. New York: Marcel Dekker, 2002:170~171
Upphovsrätt: Denna artikel är en nytryckning av WeChat public number motor peek (电机极客), den ursprungliga länkenhttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A

Denna artikel representerar inte vårt företags åsikter. Om du har andra åsikter eller synpunkter, vänligen rätta oss!