I. El propósito y la importancia de medir la inductancia síncrona
(1) Propósito de la medición de los parámetros de inductancia síncrona (es decir, inductancia transversal)
Los parámetros de inductancia de CA y CC son los dos más importantes en un motor síncrono de imanes permanentes. Su adquisición precisa es fundamental para el cálculo de las características del motor, la simulación dinámica y el control de velocidad. La inductancia síncrona permite calcular diversas propiedades en estado estacionario, como el factor de potencia, la eficiencia, el par, la corriente de inducido, la potencia y otros parámetros. En el sistema de control de motores de imanes permanentes mediante control vectorial, los parámetros del inductor síncrono intervienen directamente en el algoritmo de control. Los resultados de la investigación demuestran que, en la región magnética débil, la inexactitud de los parámetros del motor puede provocar una reducción significativa del par y la potencia. Esto demuestra la importancia de los parámetros del inductor síncrono.
(2)Problemas a tener en cuenta al medir la inductancia síncrona
Para obtener una alta densidad de potencia, la estructura de los motores síncronos de imanes permanentes suele ser más compleja y su circuito magnético está más saturado. Esto provoca que el parámetro de inductancia síncrona del motor varíe con la saturación del circuito magnético. En otras palabras, los parámetros cambian con las condiciones de funcionamiento del motor; las condiciones nominales de funcionamiento de los parámetros de inductancia síncrona no pueden reflejar con precisión la naturaleza de los parámetros del motor. Por lo tanto, es necesario medir los valores de inductancia en diferentes condiciones de funcionamiento.
2. Métodos de medición de la inductancia síncrona del motor de imán permanente
Este artículo recopila diversos métodos para medir la inductancia síncrona y realiza una comparación y un análisis detallados de los mismos. Estos métodos se pueden clasificar en dos tipos principales: prueba de carga directa y prueba estática indirecta. Las pruebas estáticas se dividen a su vez en pruebas estáticas de CA y pruebas estáticas de CC. Hoy, en la primera entrega de "Métodos de prueba de inductores síncronos", se explicará el método de prueba de carga.
La literatura [1] introduce el principio del método de carga directa. Los motores de imanes permanentes suelen analizarse mediante la teoría de la doble reacción para analizar su funcionamiento con carga. Los diagramas de fase del generador y del motor se muestran en la Figura 1. El ángulo de potencia θ del generador es positivo cuando E0 supera a U, el ángulo del factor de potencia φ es positivo cuando I supera a U, y el ángulo del factor de potencia interno ψ es positivo cuando E0 supera a I. El ángulo de potencia θ del motor es positivo cuando U supera a E0, el ángulo del factor de potencia φ es positivo cuando U supera a I, y el ángulo del factor de potencia interno ψ es positivo cuando I supera a E0.
Fig. 1 Diagrama de fases del funcionamiento de un motor síncrono de imanes permanentes
(a) Estado del generador (b) Estado del motor
De acuerdo con este diagrama de fases se puede obtener: cuando el motor de imán permanente opera bajo carga, se mide la fuerza electromotriz de excitación sin carga E0, el voltaje del terminal de armadura U, la corriente I, el ángulo del factor de potencia φ y el ángulo de potencia θ, etc., se puede obtener la corriente de armadura del eje recto, el componente del eje transversal Id = Isin (θ - φ) e Iq = Icos (θ - φ), luego Xd y Xq se pueden obtener de la siguiente ecuación:
Cuando el generador está funcionando:
Xd=[E0-Ucosθ-IR1cos(θ-φ)]/Id (1)
Xq=[Usinθ+IR1sin(θ-φ)]/Iq (2)
Cuando el motor está en marcha:
Xd=[E0-Ucosθ+IR1cos(θ-φ)]/Id (3)
Xq=[Usinθ-IR1sin(θ-φ)]/Iq (4)
Los parámetros de estado estacionario de los motores síncronos de imanes permanentes varían con las condiciones de funcionamiento del motor, y cuando cambia la corriente del inducido, cambian tanto Xd como Xq. Por lo tanto, al determinar los parámetros, asegúrese de indicar también las condiciones de funcionamiento del motor (corriente alterna y continua en el eje o corriente del estator y ángulo del factor de potencia interno).
La principal dificultad al medir los parámetros inductivos mediante el método de carga directa reside en la medición del ángulo de potencia θ. Como sabemos, este ángulo es la diferencia de fase entre la tensión terminal del motor U y la fuerza electromotriz de excitación. Cuando el motor funciona de forma estable, la tensión terminal puede obtenerse directamente, pero E0 no. Por lo tanto, solo puede obtenerse mediante un método indirecto para obtener una señal periódica con la misma frecuencia que E0 y una diferencia de fase fija que la sustituya y permita realizar una comparación de fase con la tensión terminal.
Los métodos indirectos tradicionales son:
1) en la ranura de la armadura del motor bajo prueba enterrado paso y la bobina original del motor de varias vueltas de alambre fino como una bobina de medición, con el fin de obtener la misma fase con el devanado del motor bajo prueba de señal de comparación de voltaje, a través de la comparación del ángulo del factor de potencia se puede obtener.
2) Instale un motor síncrono idéntico al motor en prueba en el eje. El método de medición de fase de voltaje [2], que se describirá a continuación, se basa en este principio. El diagrama de conexión experimental se muestra en la Figura 2. El TSM es el motor síncrono de imán permanente en prueba, el ASM es un motor síncrono idéntico que se requiere adicionalmente, el PM es el motor primario, que puede ser un motor síncrono o un motor de CC, B es el freno y el DBO es un osciloscopio de doble haz. Las fases B y C del TSM y el ASM están conectadas al osciloscopio. Cuando el TSM está conectado a una fuente de alimentación trifásica, el osciloscopio recibe las señales VTSM y E0ASM. Debido a que los dos motores son idénticos y giran sincrónicamente, el contrapotencial sin carga del TSM del probador y el contrapotencial sin carga del ASM, que actúa como generador, E0ASM, están en fase. Por lo tanto, se puede medir el ángulo de potencia θ, es decir, la diferencia de fase entre VTSM y E0ASM.
Fig. 2 Diagrama de cableado experimental para medir el ángulo de potencia
Este método no se usa con mucha frecuencia, principalmente porque: 1) El eje del rotor del pequeño motor síncrono o transformador rotatorio que se va a medir tiene dos extremos extendidos, lo que suele ser difícil de hacer. 2) La precisión de la medición del ángulo de potencia depende en gran medida del alto contenido armónico del VTSM y E0ASM, y si el contenido armónico es relativamente grande, la precisión de la medición se reducirá.
3) Para mejorar la precisión de la prueba del ángulo de potencia y la facilidad de uso, ahora se utilizan más sensores de posición para detectar la señal de posición del rotor y luego la comparación de fase con el enfoque de voltaje final.
El principio básico es instalar un disco fotoeléctrico proyectado o reflejado en el eje del motor síncrono de imán permanente medido, el número de agujeros distribuidos uniformemente en el disco o marcadores blancos y negros y el número de pares de polos del motor síncrono bajo prueba. Cuando el disco gira una revolución con el motor, el sensor fotoeléctrico recibe p señales de posición del rotor y genera p pulsos de bajo voltaje. Cuando el motor está funcionando síncronamente, la frecuencia de esta señal de posición del rotor es igual a la frecuencia del voltaje del terminal de la armadura, y su fase refleja la fase de la fuerza electromotriz de excitación. La señal del pulso de sincronización se amplifica mediante conformación, desfase y el voltaje de la armadura del motor de prueba para la comparación de fases para obtener la diferencia de fase. Establecido cuando el motor funciona sin carga, la diferencia de fase es θ1 (aproximadamente que en este momento el ángulo de potencia θ = 0), cuando la carga está funcionando, la diferencia de fase es θ2, luego la diferencia de fase θ2 - θ1 es el valor del ángulo de potencia de carga del motor síncrono de imán permanente medido. El diagrama esquemático se muestra en la Figura 3.
Fig. 3 Diagrama esquemático de la medición del ángulo de potencia
Como en el disco fotoeléctrico recubierto uniformemente con marca blanca y negra es más difícil, y cuando los polos medidos del motor síncrono de imán permanente al mismo tiempo que el disco de marcado no pueden ser comunes entre sí. Para simplificar, también se puede probar en el eje de transmisión del motor de imán permanente envuelto en un círculo de cinta negra, recubierto con una marca blanca, la fuente de luz del sensor fotoeléctrico reflectante emitida por la luz recogida en este círculo en la superficie de la cinta. De esta manera, cada vuelta del motor, el sensor fotoeléctrico en el transistor fotosensible recibe una luz reflejada y conduce una vez, lo que resulta en una señal de pulso eléctrico, después de la amplificación y conformación para obtener una señal de comparación E1. Desde el extremo del devanado de la armadura del motor de prueba de cualquier voltaje bifásico, por el transformador de voltaje PT hasta un voltaje bajo, enviado al comparador de voltaje, la formación de un representante de la fase rectangular de la señal de pulso de voltaje U1. U1 por la frecuencia de división p, la comparación del comparador de fase para obtener una comparación entre la fase y el comparador de fase. U1 por la frecuencia de división p, por el comparador de fase para comparar su diferencia de fase con la señal.
La desventaja del método de medición del ángulo de potencia descrito anteriormente radica en que se debe obtener la diferencia entre las dos mediciones. Para evitar la resta de las dos magnitudes y reducir la precisión, al medir la diferencia de fase de carga θ2 (inversión de la señal U2), la diferencia de fase medida es θ2' = 180° - θ2, y el ángulo de potencia θ = 180° - (θ1 + θ2'), lo que convierte las dos magnitudes de la resta de fase en la suma. El diagrama de magnitudes de fase se muestra en la Fig. 4.
Fig. 4 Principio del método de adición de fases para calcular la diferencia de fase
Otro método mejorado no utiliza la división de frecuencia de la señal de forma de onda rectangular de voltaje, sino que utiliza una microcomputadora para registrar simultáneamente la forma de onda de la señal, respectivamente, a través de la interfaz de entrada, registra las formas de onda de la señal de posición del rotor y de voltaje sin carga U0, E0, así como las señales de forma de onda rectangulares de voltaje de carga y posición del rotor U1, E1, y luego mueven las formas de onda de las dos grabaciones entre sí hasta que las formas de onda de las dos señales de forma de onda rectangular de voltaje se superponen completamente, cuando la diferencia de fase entre los dos rotores La diferencia de fase entre las dos señales de posición del rotor es el ángulo de potencia; o mueva la forma de onda para que las dos formas de onda de la señal de posición del rotor coincidan, entonces la diferencia de fase entre las dos señales de voltaje es el ángulo de potencia.
Cabe señalar que la operación sin carga real del motor síncrono de imán permanente, el ángulo de potencia no es cero, especialmente para motores pequeños, debido a la operación sin carga de la pérdida sin carga (incluyendo pérdida de cobre del estator, pérdida de hierro, pérdida mecánica, pérdida parásita) es relativamente grande, si usted piensa que el ángulo de potencia sin carga de cero, causará un gran error en la medición del ángulo de potencia, que se puede utilizar para hacer que el motor de CC funcione en el estado del motor, la dirección de la dirección y la dirección del motor de prueba sean consistentes, con la dirección del motor de CC, el motor de CC puede funcionar en el mismo estado, y el motor de CC puede usarse como motor de prueba. Esto puede hacer que el motor de CC funcione en el estado del motor, la dirección y la dirección del motor de prueba sean consistentes con el motor de CC para proporcionar toda la pérdida del eje del motor de prueba (incluyendo pérdida de hierro, pérdida mecánica, pérdida parásita, etc.). El método de determinación consiste en que la potencia de entrada del motor de prueba sea igual al consumo de cobre del estator, es decir, P1 = pCu, y que la tensión y la corriente estén en fase. En este caso, el θ1 medido corresponde al ángulo de potencia de cero.
Resumen: las ventajas de este método:
① El método de carga directa puede medir la inductancia de saturación en estado estable bajo varios estados de carga y no requiere una estrategia de control, lo cual es intuitivo y simple.
Dado que la medición se realiza directamente bajo carga, se puede tener en cuenta el efecto de saturación y la influencia de la corriente de desmagnetización en los parámetros de inductancia.
Desventajas de este método:
① El método de carga directa requiere medir varias magnitudes simultáneamente (tensión trifásica, corriente trifásica, ángulo del factor de potencia, etc.). La medición del ángulo de potencia es más compleja, y la precisión de la prueba de cada magnitud afecta directamente la precisión del cálculo de los parámetros. Además, es fácil que se acumulen errores en la prueba de parámetros. Por lo tanto, al utilizar el método de carga directa para medir los parámetros, se debe prestar atención al análisis de errores y seleccionar un instrumento de prueba con mayor precisión.
② En este método de medición, el valor de la fuerza electromotriz de excitación E0 se sustituye directamente por la tensión en los terminales del motor sin carga, lo que conlleva errores inherentes. Dado que el punto de funcionamiento del imán permanente varía con la carga, la permeabilidad y la densidad de flujo del imán permanente, a diferentes corrientes del estator, difieren, por lo que la fuerza electromotriz de excitación resultante también varía. Por lo tanto, no resulta muy preciso sustituir la fuerza electromotriz de excitación en condiciones de carga por la fuerza electromotriz de excitación sin carga.
Referencias
[1] Tang Renyuan et al. Teoría y diseño de motores de imán permanente modernos. Pekín: Machinery Industry Press. Marzo de 2011.
[2] JF Gieras, M. Wing. Tecnología, diseño y aplicaciones de motores de imán permanente, 2.ª ed. Nueva York: Marcel Dekker, 2002:170-171
Derechos de autor: Este artículo es una reimpresión del número público de WeChat motor peek (电机极客), el enlace originalhttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A
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Hora de publicación: 18 de julio de 2024