I. Scopo e significato della misurazione dell'induttanza sincrona
(1)Scopo della misurazione dei parametri dell'induttanza sincrona (ad esempio induttanza trasversale)
I parametri di induttanza CA e CC sono i due parametri più importanti in un motore sincrono a magneti permanenti. La loro acquisizione accurata è il prerequisito e la base per il calcolo delle caratteristiche del motore, la simulazione dinamica e il controllo della velocità. L'induttanza sincrona può essere utilizzata per calcolare numerose proprietà in regime stazionario, come fattore di potenza, efficienza, coppia, corrente di armatura, potenza e altri parametri. Nel sistema di controllo di un motore a magneti permanenti con controllo vettoriale, i parametri dell'induttore sincrono sono direttamente coinvolti nell'algoritmo di controllo e i risultati della ricerca mostrano che, nella regione magnetica debole, l'imprecisione dei parametri del motore può portare a una significativa riduzione di coppia e potenza. Ciò dimostra l'importanza dei parametri dell'induttore sincrono.
(2)Problemi da notare nella misurazione dell'induttanza sincrona
Per ottenere un'elevata densità di potenza, la struttura dei motori sincroni a magneti permanenti è spesso progettata per essere più complessa e il circuito magnetico del motore è più saturo, il che si traduce in una variazione del parametro di induttanza sincrona del motore con la saturazione del circuito magnetico. In altre parole, i parametri variano a seconda delle condizioni operative del motore, e i parametri di induttanza sincrona non possono riflettere accuratamente la natura dei parametri del motore. Pertanto, è necessario misurare i valori di induttanza in diverse condizioni operative.
2. Metodi di misurazione dell'induttanza sincrona del motore a magnete permanente
Questo articolo raccoglie diversi metodi di misura dell'induttanza sincrona e ne effettua un confronto e un'analisi dettagliati. Questi metodi possono essere suddivisi in due tipologie principali: test di carico diretto e test statico indiretto. Il test statico si suddivide ulteriormente in test statico in corrente alternata (CA) e test statico in corrente continua (CC). Oggi, il primo articolo della nostra rubrica "Metodi di prova per induttori sincroni" illustrerà il metodo di prova a carico.
La letteratura [1] introduce il principio del metodo del carico diretto. I motori a magneti permanenti possono solitamente essere analizzati utilizzando la teoria della doppia reazione per analizzare il loro funzionamento sotto carico, e i diagrammi di fase del funzionamento del generatore e del motore sono mostrati nella Figura 1 sottostante. L'angolo di potenza θ del generatore è positivo con E0 superiore a U, l'angolo del fattore di potenza φ è positivo con I superiore a U e l'angolo del fattore di potenza interno ψ è positivo con E0 superiore a I. L'angolo di potenza θ del motore è positivo con U superiore a E0, l'angolo del fattore di potenza φ è positivo con U superiore a I e l'angolo del fattore di potenza interno ψ è positivo con I superiore a E0.
Fig. 1 Diagramma di fase del funzionamento del motore sincrono a magneti permanenti
(a) Stato del generatore (b) Stato del motore
Secondo questo diagramma di fase si può ottenere: quando il motore a magnete permanente è sotto carico, la forza elettromotrice di eccitazione a vuoto misurata E0, la tensione del terminale dell'indotto U, la corrente I, l'angolo del fattore di potenza φ e l'angolo di potenza θ e così via, si può ottenere la corrente dell'indotto dell'asse rettilineo, la componente trasversale dell'asse Id = Isin (θ - φ) e Iq = Icos (θ - φ), quindi Xd e Xq possono essere ottenuti dalla seguente equazione:
Quando il generatore è in funzione:
Xd=[E0-Ucosθ-IR1cos(θ-φ)]/Id (1)
Xq=[Usinθ+IR1sin(θ-φ)]/Iq (2)
Quando il motore è in funzione:
Xd=[E0-Ucosθ+IR1cos(θ-φ)]/Id (3)
Xq=[Usinθ-IR1sin(θ-φ)]/Iq (4)
I parametri a regime stazionario dei motori sincroni a magneti permanenti variano al variare delle condizioni operative del motore e, al variare della corrente di armatura, cambiano sia Xd che Xq. Pertanto, quando si determinano i parametri, assicurarsi di indicare anche le condizioni operative del motore. (Quantità di corrente alternata e continua all'albero o corrente dello statore e angolo del fattore di potenza interno)
La principale difficoltà nella misurazione dei parametri induttivi con il metodo del carico diretto risiede nella misurazione dell'angolo di potenza θ. Come noto, si tratta della differenza di fase tra la tensione ai terminali del motore U e la forza elettromotrice di eccitazione. Quando il motore funziona stabilmente, la tensione finale può essere ottenuta direttamente, ma E0 non può essere ottenuta direttamente, quindi può essere ottenuta solo con un metodo indiretto per ottenere un segnale periodico con la stessa frequenza di E0 e una differenza di fase fissa da sostituire a E0 per effettuare un confronto di fase con la tensione finale.
I metodi indiretti tradizionali sono:
1) nella fessura dell'indotto del motore in prova, interrare il passo e la bobina originale del motore di diverse spire di filo sottile come bobina di misura, per ottenere la stessa fase con il segnale di confronto della tensione dell'avvolgimento del motore in prova, attraverso il confronto dell'angolo del fattore di potenza può essere ottenuto.
2) Installare un motore sincrono sull'albero del motore in prova identico al motore in prova. Il metodo di misura della fase di tensione [2], che verrà descritto di seguito, si basa su questo principio. Lo schema di collegamento sperimentale è mostrato in Figura 2. Il TSM è il motore sincrono a magneti permanenti in prova, l'ASM è un motore sincrono identico che è richiesto in aggiunta, il PM è il motore primario, che può essere un motore sincrono o un motore a corrente continua, B è il freno e il DBO è un oscilloscopio a doppio raggio. Le fasi B e C del TSM e dell'ASM sono collegate all'oscilloscopio. Quando il TSM è collegato a un alimentatore trifase, l'oscilloscopio riceve i segnali VTSM ed E0ASM. Poiché i due motori sono identici e ruotano in modo sincrono, la controtensione a vuoto del TSM del tester e la controtensione a vuoto dell'ASM, che funge da generatore, E0ASM, sono in fase. Pertanto è possibile misurare l'angolo di potenza θ, ovvero la differenza di fase tra VTSM e E0ASM.
Fig. 2 Schema elettrico sperimentale per la misurazione dell'angolo di potenza
Questo metodo non è molto comunemente utilizzato, principalmente perché: ① nell'albero del rotore montato su un piccolo motore sincrono o un trasformatore rotante da misurare il motore presenta due estremità dell'albero estese, il che è spesso difficile da realizzare. ② La precisione della misurazione dell'angolo di potenza dipende in larga misura dall'elevato contenuto armonico del VTSM e dell'E0ASM e, se il contenuto armonico è relativamente elevato, la precisione della misurazione sarà ridotta.
3) Per migliorare la precisione e la facilità d'uso del test dell'angolo di potenza, ora si utilizzano maggiormente i sensori di posizione per rilevare il segnale di posizione del rotore e quindi il confronto di fase con l'approccio della tensione finale
Il principio di base consiste nell'installare un disco fotoelettrico proiettato o riflesso sull'albero del motore sincrono a magneti permanenti misurato, il numero di fori uniformemente distribuiti sul disco o di marcatori bianchi e neri e il numero di coppie di poli del motore sincrono in prova. Quando il disco ruota di un giro con il motore, il sensore fotoelettrico riceve p segnali di posizione del rotore e genera p impulsi a bassa tensione. Quando il motore funziona in modo sincrono, la frequenza di questo segnale di posizione del rotore è uguale alla frequenza della tensione ai terminali dell'indotto e la sua fase riflette la fase della forza elettromotrice di eccitazione. Il segnale dell'impulso di sincronizzazione viene amplificato mediante shaping, sfasato e la tensione dell'indotto del motore di prova viene confrontata per ottenere la differenza di fase. Impostato quando il motore funziona a vuoto, la differenza di fase è θ1 (si stima che in questo momento l'angolo di potenza θ = 0); quando il carico è in funzione, la differenza di fase è θ2, quindi la differenza di fase θ2 - θ1 è il valore dell'angolo di potenza del carico del motore sincrono a magneti permanenti misurato. Lo schema elettrico è mostrato nella Figura 3.
Fig. 3 Diagramma schematico della misurazione dell'angolo di potenza
Poiché il disco fotoelettrico è uniformemente rivestito con segni bianchi e neri, è più difficile da misurare, e quando i poli del motore sincrono a magnete permanente misurati contemporaneamente, il disco di marcatura non può essere in comune tra loro. Per semplicità, è anche possibile testare l'albero motore del motore a magnete permanente avvolto in un cerchio di nastro nero, rivestito con un segno bianco, la sorgente luminosa del sensore fotoelettrico riflettente emessa dalla luce raccolta in questo cerchio sulla superficie del nastro. In questo modo, a ogni giro del motore, il sensore fotoelettrico nel transistor fotosensibile riceve la luce riflessa e la conduce una volta, generando un segnale a impulsi elettrici che, dopo amplificazione e modellazione, genera un segnale di confronto E1. Dall'estremità dell'avvolgimento dell'indotto del motore di prova, qualsiasi tensione bifase viene trasferita dal trasformatore di tensione PT a una bassa tensione, inviata al comparatore di tensione, che forma un segnale a impulsi di tensione U1 rappresentativo della fase rettangolare. U1, tramite la frequenza a divisione p, esegue il confronto di fase con il comparatore di fase per ottenere un confronto tra la fase e il comparatore di fase. U1 tramite la frequenza di divisione p, tramite il comparatore di fase per confrontare la sua differenza di fase con il segnale.
Il difetto del metodo di misurazione dell'angolo di potenza sopra descritto è che per ottenere l'angolo di potenza è necessario calcolare la differenza tra le due misurazioni. Per evitare la sottrazione delle due grandezze e ridurre la precisione, nella misurazione della differenza di fase del carico θ2, ovvero l'inversione del segnale U2, la differenza di fase misurata è θ2'=180° - θ2, l'angolo di potenza θ=180° - (θ1 + θ2'), che converte le due grandezze dalla sottrazione di fase all'addizione. Il diagramma delle grandezze di fase è mostrato in Fig. 4.
Fig. 4 Principio del metodo di aggiunta di fase per il calcolo della differenza di fase
Un altro metodo migliorato non utilizza la divisione di frequenza del segnale di forma d'onda rettangolare di tensione, ma utilizza un microcomputer per registrare simultaneamente la forma d'onda del segnale, rispettivamente, tramite l'interfaccia di ingresso, registrare le forme d'onda del segnale di tensione a vuoto e di posizione del rotore U0, E0, nonché i segnali di forma d'onda rettangolare di tensione di carico e posizione del rotore U1, E1, quindi spostare le forme d'onda delle due registrazioni l'una rispetto all'altra fino a quando le forme d'onda di due segnali di forma d'onda rettangolare di tensione sono completamente sovrapposte, quando la differenza di fase tra i due rotori La differenza di fase tra i due segnali di posizione del rotore è l'angolo di potenza; oppure spostare la forma d'onda in modo che le due forme d'onda del segnale di posizione del rotore coincidano, quindi la differenza di fase tra i due segnali di tensione è l'angolo di potenza.
È importante sottolineare che nel funzionamento a vuoto effettivo di un motore sincrono a magneti permanenti, l'angolo di potenza non è nullo, soprattutto per i motori di piccole dimensioni. A causa del funzionamento a vuoto, le perdite a vuoto (incluse perdite di rame dello statore, perdite di ferro, perdite meccaniche e perdite parassite) sono relativamente elevate. Se si considera che l'angolo di potenza a vuoto sia nullo, si verificherà un errore significativo nella misurazione dell'angolo di potenza. Questo può essere utilizzato per determinare il funzionamento del motore a corrente continua nello stato di funzionamento, la direzione dello sterzo e la direzione del motore di prova sono coerenti. Con lo sterzo del motore a corrente continua, il motore a corrente continua può funzionare nello stesso stato e può essere utilizzato come motore di prova. Ciò può consentire al motore a corrente continua di funzionare nello stato di funzionamento, la direzione dello sterzo e la direzione del motore di prova sono coerenti con il motore a corrente continua per fornire tutte le perdite dell'albero del motore di prova (incluse perdite di ferro, perdite meccaniche e perdite parassite, ecc.). Il metodo di valutazione prevede che la potenza in ingresso del motore di prova sia uguale al consumo di rame dello statore, ovvero P1 = pCu, e che la tensione e la corrente siano in fase. Questa volta il θ1 misurato corrisponde all'angolo di potenza pari a zero.
Riepilogo: i vantaggi di questo metodo:
① Il metodo del carico diretto può misurare l'induttanza di saturazione allo stato stazionario sotto vari stati di carico e non richiede una strategia di controllo, il che è intuitivo e semplice.
Poiché la misurazione viene effettuata direttamente sotto carico, è possibile tenere conto dell'effetto di saturazione e dell'influenza della corrente di smagnetizzazione sui parametri di induttanza.
Svantaggi di questo metodo:
① Il metodo di carico diretto richiede la misurazione simultanea di più grandezze (tensione trifase, corrente trifase, angolo del fattore di potenza, ecc.). La misurazione dell'angolo di potenza è più complessa e l'accuratezza del test di ciascuna grandezza ha un impatto diretto sull'accuratezza del calcolo dei parametri, con conseguente facile accumulo di errori di vario tipo nel test dei parametri. Pertanto, quando si utilizza il metodo di carico diretto per misurare i parametri, è necessario prestare attenzione all'analisi degli errori e selezionare uno strumento di prova con una maggiore accuratezza.
② Il valore della forza elettromotrice di eccitazione E0 in questo metodo di misurazione viene sostituito direttamente dalla tensione ai terminali del motore a vuoto, e questa approssimazione comporta anche errori intrinseci. Poiché il punto di funzionamento del magnete permanente varia con il carico, il che significa che a diverse correnti dello statore, la permeabilità e la densità di flusso del magnete permanente sono diverse, quindi anche la forza elettromotrice di eccitazione risultante è diversa. Pertanto, non è molto preciso sostituire la forza elettromotrice di eccitazione sotto carico con la forza elettromotrice di eccitazione a vuoto.
Riferimenti
[1] Tang Renyuan et al. Teoria e progettazione dei moderni motori a magneti permanenti. Pechino: Machinery Industry Press. Marzo 2011
[2] JF Gieras, M. Wing. Tecnologia dei motori a magneti permanenti, progettazione e applicazioni, 2a ed. New York: Marcel Dekker, 2002:170~171
Copyright: Questo articolo è una ristampa del motore di ricerca del numero pubblico di WeChat (电机极客), il link originalehttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A
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Data di pubblicazione: 18/07/2024