Đo độ tự cảm đồng bộ của động cơ nam châm vĩnh cửu

I. Mục đích và ý nghĩa của việc đo độ tự cảm đồng bộ
(1)Mục đích đo các thông số của điện cảm đồng bộ (tức là điện cảm chéo trục)
Thông số độ tự cảm AC và DC là hai thông số quan trọng nhất trong động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Việc thu thập chính xác chúng là điều kiện tiên quyết và nền tảng để tính toán đặc tính động cơ, mô phỏng động lực học và điều khiển tốc độ. Độ tự cảm đồng bộ có thể được sử dụng để tính toán nhiều đặc tính ở trạng thái ổn định như hệ số công suất, hiệu suất, mô-men xoắn, dòng điện phần ứng, công suất và các thông số khác. Trong hệ thống điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng điều khiển véc tơ, các thông số cuộn cảm đồng bộ tham gia trực tiếp vào thuật toán điều khiển, kết quả nghiên cứu cho thấy ở vùng từ trường yếu, sự thiếu chính xác của các thông số động cơ có thể dẫn đến mô men xoắn giảm đáng kể. và quyền lực. Điều này cho thấy tầm quan trọng của các thông số cuộn cảm đồng bộ.
(2)Các vấn đề cần lưu ý khi đo độ tự cảm đồng bộ
Để đạt được mật độ công suất cao, cấu tạo của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thường được thiết kế phức tạp hơn, mạch từ của động cơ bão hòa hơn dẫn đến thông số độ tự cảm đồng bộ của động cơ thay đổi theo độ bão hòa của mạch từ. Nói cách khác, các thông số sẽ thay đổi theo điều kiện hoạt động của động cơ, hoàn toàn với điều kiện hoạt động định mức của các thông số điện cảm đồng bộ không thể phản ánh chính xác bản chất của thông số động cơ. Vì vậy, cần phải đo các giá trị điện cảm trong các điều kiện hoạt động khác nhau.
2. Phương pháp đo độ tự cảm đồng bộ của động cơ nam châm vĩnh cửu
Bài viết này tập hợp các phương pháp đo độ tự cảm đồng bộ khác nhau và so sánh, phân tích chi tiết chúng. Các phương pháp này có thể được phân loại đại khái thành hai loại chính: thử nghiệm tải trực tiếp và thử nghiệm tĩnh gián tiếp. Kiểm tra tĩnh được chia thành kiểm tra tĩnh AC và kiểm tra tĩnh DC. Hôm nay, phần đầu tiên của "Phương pháp kiểm tra cuộn cảm đồng bộ" của chúng tôi sẽ giải thích phương pháp kiểm tra tải.

Tài liệu [1] giới thiệu nguyên lý của phương pháp tải trực tiếp. Động cơ nam châm vĩnh cửu thường có thể được phân tích bằng cách sử dụng lý thuyết phản ứng kép để phân tích hoạt động tải của chúng và sơ đồ pha của máy phát và hoạt động của động cơ được thể hiện trong Hình 1 bên dưới. Góc công suất θ của máy phát dương khi E0 vượt quá U, góc hệ số công suất φ dương khi I vượt quá U và góc hệ số công suất bên trong ψ dương khi E0 vượt quá I. Góc công suất θ của động cơ dương với U vượt quá E0, góc hệ số công suất φ dương khi U vượt quá I và góc hệ số công suất bên trong ψ dương khi I vượt quá E0.

Hình 1 Sơ đồ pha hoạt động của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
(a)Trạng thái máy phát (b) Trạng thái động cơ

Theo sơ đồ pha này có thể thu được: khi động cơ nam châm vĩnh cửu hoạt động tải, đo lực điện động kích thích không tải E0, điện áp đầu cực phần ứng U, dòng điện I, góc hệ số công suất φ và góc công suất θ, v.v., có thể thu được phần ứng dòng điện trục thẳng, thành phần ngang trục Id = Isin (θ - φ) và Iq = Icos (θ - φ), khi đó Xd và Xq có thể thu được từ phương trình sau:

Khi máy phát điện đang chạy:

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

Khi động cơ đang chạy:

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

Các thông số trạng thái ổn định của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thay đổi khi điều kiện hoạt động của động cơ thay đổi và khi dòng điện phần ứng thay đổi thì cả Xd và Xq đều thay đổi. Do đó, khi xác định các thông số, hãy nhớ chỉ ra điều kiện vận hành của động cơ. (Lượng dòng điện xoay chiều và một chiều hoặc dòng điện stato và góc hệ số công suất bên trong)

Khó khăn chính khi đo các thông số cảm ứng bằng phương pháp tải trực tiếp nằm ở việc đo góc công suất θ. Như chúng ta đã biết, đó là độ lệch pha giữa điện áp đầu cực động cơ U và suất điện động kích thích. Khi động cơ hoạt động ổn định, có thể lấy trực tiếp điện áp cuối, nhưng không thể lấy trực tiếp E0 mà chỉ có thể lấy bằng phương pháp gián tiếp để thu được tín hiệu định kỳ có cùng tần số với E0 và độ lệch pha cố định để thay thế E0 để so sánh pha với điện áp cuối.

Các phương pháp gián tiếp truyền thống là:
1) trong khe phần ứng của động cơ được thử nghiệm và cuộn dây ban đầu của động cơ có nhiều vòng dây mảnh làm cuộn dây đo, để có được cùng pha với tín hiệu so sánh điện áp thử nghiệm của cuộn dây động cơ, thông qua so sánh góc hệ số công suất có thể đạt được.
2) Lắp đặt động cơ đồng bộ trên trục của động cơ được thử nghiệm giống hệt với động cơ được thử nghiệm. Phương pháp đo pha điện áp [2] sẽ được mô tả dưới đây, dựa trên nguyên tắc này. Sơ đồ kết nối thử nghiệm được hiển thị trong Hình 2. TSM là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang được thử nghiệm, ASM là động cơ đồng bộ giống hệt được yêu cầu bổ sung, PM là động cơ chính, có thể là động cơ đồng bộ hoặc DC động cơ, B là phanh và DBO là máy hiện sóng chùm tia kép. Các pha B và C của TSM và ASM được kết nối với máy hiện sóng. Khi TSM được kết nối với nguồn điện ba pha, máy hiện sóng sẽ nhận được tín hiệu VTSM và E0ASM. bởi vì hai động cơ giống hệt nhau và quay đồng bộ, nên điện thế ngược không tải của TSM của thiết bị thử nghiệm và điện thế ngược không tải của ASM, hoạt động như một máy phát điện, E0ASM, cùng pha. Do đó, có thể đo được góc công suất θ, tức là độ lệch pha giữa VTSM và E0ASM.

Hình 2 Sơ đồ nối dây thí nghiệm đo góc công suất

Phương pháp này không được sử dụng phổ biến, chủ yếu là do: ① Trong động cơ đồng bộ nhỏ gắn trên trục rôto hoặc máy biến áp quay cần phải đo động cơ có hai đầu trục nhô ra, điều này thường khó thực hiện. ② Độ chính xác của phép đo góc công suất phụ thuộc phần lớn vào hàm lượng hài hòa cao của VTSM và E0ASM, và nếu hàm lượng hài tương đối lớn thì độ chính xác của phép đo sẽ giảm.
3) Để cải thiện độ chính xác của việc kiểm tra góc công suất và tính dễ sử dụng, hiện nay, việc sử dụng nhiều hơn các cảm biến vị trí để phát hiện tín hiệu vị trí rôto, sau đó so sánh pha với phương pháp điện áp cuối
Nguyên lý cơ bản là lắp đặt một đĩa quang điện chiếu hoặc phản xạ trên trục của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đo được, số lượng lỗ phân bố đều trên đĩa hoặc các điểm đánh dấu đen trắng và số cặp cực của động cơ đồng bộ được thử nghiệm . Khi đĩa quay cùng với động cơ một vòng, cảm biến quang điện sẽ nhận tín hiệu vị trí p rôto và tạo ra các xung điện áp thấp. Khi động cơ chạy đồng bộ, tần số của tín hiệu vị trí rôto này bằng tần số của điện áp đầu cực phần ứng và pha của nó phản ánh pha của lực điện động kích thích. Tín hiệu xung đồng bộ được khuếch đại bằng cách định hình, dịch pha và kiểm tra điện áp phần ứng động cơ để so sánh pha nhằm thu được độ lệch pha. Đặt khi động cơ hoạt động không tải, độ lệch pha là θ1 (xấp xỉ lúc này góc công suất θ = 0), khi có tải chạy độ lệch pha là θ2 thì độ lệch pha θ2 - θ1 là giá trị đo được giá trị góc công suất tải của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trong Hình 3.

Hình 3. Sơ đồ đo góc công suất

Vì đĩa quang điện được phủ đồng đều các dấu đen trắng sẽ khó khăn hơn và khi đo các cực động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cùng lúc, các đĩa đánh dấu không thể chung với nhau. Để đơn giản, cũng có thể thử nghiệm trên trục truyền động động cơ nam châm vĩnh cửu được bọc trong một vòng tròn bằng băng đen, phủ một vạch trắng, nguồn sáng cảm biến quang điện phản xạ phát ra bởi ánh sáng tập trung trong vòng tròn này trên bề mặt của băng. Bằng cách này, mỗi vòng quay của động cơ, cảm biến quang điện trong bóng bán dẫn quang sẽ nhận được ánh sáng phản xạ và dẫn điện một lần, tạo ra tín hiệu xung điện, sau khi khuếch đại và định hình sẽ thu được tín hiệu so sánh E1. từ đầu cuộn dây phần ứng của động cơ thử nghiệm của bất kỳ điện áp hai pha nào, bằng máy biến điện áp PT xuống điện áp thấp, gửi đến bộ so sánh điện áp, tạo thành một pha đại diện cho pha hình chữ nhật của tín hiệu xung điện áp U1. U1 theo tần số phân chia p, bộ so sánh pha để có được sự so sánh giữa bộ so sánh pha và bộ so sánh pha. U1 bằng tần số phân chia p, bằng bộ so sánh pha để so sánh độ lệch pha của nó với tín hiệu.
Nhược điểm của phương pháp đo góc công suất trên là phải chênh lệch giữa hai lần đo để thu được góc công suất. Để tránh hai đại lượng bị trừ và làm giảm độ chính xác, trong phép đo độ lệch pha tải θ2, độ đảo pha của tín hiệu U2, độ lệch pha đo được là θ2'=180 ° - θ2, góc công suất θ=180 ° - ( θ1 + θ2'), chuyển đổi hai đại lượng từ phép trừ pha sang phép cộng. Biểu đồ số lượng pha được hiển thị trong Hình 4.

Hình 4 Nguyên lý của phương pháp cộng pha để tính độ lệch pha

Một phương pháp cải tiến khác không sử dụng phân chia tần số tín hiệu dạng sóng hình chữ nhật điện áp mà sử dụng máy vi tính để ghi đồng thời dạng sóng tín hiệu tương ứng thông qua giao diện đầu vào, ghi lại dạng sóng tín hiệu điện áp không tải và vị trí rôto U0, E0, cũng như điện áp tải và vị trí rôto phát tín hiệu dạng sóng hình chữ nhật U1, E1, sau đó di chuyển dạng sóng của hai bản ghi tương đối với nhau cho đến khi dạng sóng của hai tín hiệu dạng sóng hình chữ nhật điện áp trùng nhau hoàn toàn, khi đó độ lệch pha giữa hai rôto Độ lệch pha giữa hai tín hiệu vị trí rôto là góc công suất; hoặc di chuyển dạng sóng đến vị trí hai rotor có dạng sóng tín hiệu trùng nhau thì độ lệch pha giữa hai tín hiệu điện áp chính là góc công suất.
Cần chỉ ra rằng trong thực tế hoạt động không tải của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, góc công suất không bằng 0, đặc biệt đối với động cơ nhỏ, do làm việc không tải nên tổn thất không tải (bao gồm tổn hao đồng stato, tổn hao sắt, tổn thất cơ học, tổn thất đi lạc) tương đối lớn, nếu bạn cho rằng góc công suất không tải bằng 0 thì sẽ gây ra sai số lớn trong phép đo góc công suất, điều này có thể được sử dụng để làm cho động cơ DC chạy ở trạng thái của động cơ, hướng lái và thử động cơ lái nhất quán, với bộ điều khiển động cơ DC, động cơ DC có thể chạy ở cùng trạng thái và động cơ DC có thể được sử dụng làm động cơ thử nghiệm. Điều này có thể làm cho động cơ DC chạy ở trạng thái động cơ, bộ lái và bộ lái của động cơ thử nghiệm phù hợp với động cơ DC để cung cấp tất cả các tổn thất trên trục của động cơ thử nghiệm (bao gồm tổn thất sắt, tổn thất cơ học, tổn thất lạc, v.v.). Phương pháp đánh giá là công suất đầu vào của động cơ thử nghiệm bằng mức tiêu thụ đồng của stato, nghĩa là P1 = pCu, điện áp và dòng điện cùng pha. Lần này, θ1 đo được tương ứng với góc công suất bằng 0.
Tóm tắt: ưu điểm của phương pháp này:
① Phương pháp tải trực tiếp có thể đo độ tự cảm bão hòa trạng thái ổn định trong các trạng thái tải khác nhau và không yêu cầu chiến lược điều khiển, trực quan và đơn giản.
Bởi vì phép đo được thực hiện trực tiếp dưới tải nên có thể tính đến hiệu ứng bão hòa và ảnh hưởng của dòng khử từ đến các thông số điện cảm.
Nhược điểm của phương pháp này:
① Phương pháp tải trực tiếp cần đo nhiều đại lượng cùng lúc (điện áp ba pha, dòng điện ba pha, góc hệ số công suất, v.v.), việc đo góc công suất khó khăn hơn và độ chính xác của phép thử mỗi đại lượng đều có tác động trực tiếp đến độ chính xác của việc tính toán tham số và tất cả các loại lỗi trong kiểm tra tham số đều dễ tích lũy. Vì vậy, khi sử dụng phương pháp tải trực tiếp để đo các thông số cần chú ý đến việc phân tích sai số và chọn độ chính xác cao hơn của dụng cụ thử nghiệm.
② Giá trị của suất điện động kích thích E0 trong phương pháp đo này được thay thế trực tiếp bằng điện áp đầu cực động cơ khi không tải và phép tính gần đúng này cũng gây ra sai số cố hữu. Bởi vì, điểm làm việc của nam châm vĩnh cửu thay đổi theo tải, nghĩa là ở các dòng điện stato khác nhau, độ thấm và mật độ từ thông của nam châm vĩnh cửu là khác nhau nên sinh ra suất điện động kích thích cũng khác nhau. Theo cách này, sẽ không chính xác lắm khi thay thế suất điện động kích thích trong điều kiện có tải bằng suất điện động kích thích khi không tải.
Tài liệu tham khảo
[1] Tang Renyuan và cộng sự. Lý thuyết và thiết kế động cơ nam châm vĩnh cửu hiện đại. Bắc Kinh: Nhà xuất bản Công nghiệp Máy móc. tháng 3 năm 2011
[2] JF Gieras, M. Cánh. Công nghệ, thiết kế và ứng dụng động cơ nam châm vĩnh cửu, tái bản lần thứ 2. New York: Marcel Dekker, 2002:170~171
Bản quyền: Bài viết này là bản in lại của bản xem trước động cơ số công khai WeChat(电机极客), liên kết gốchttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A

Bài viết này không thể hiện quan điểm của công ty chúng tôi. Nếu bạn có ý kiến ​​​​hoặc quan điểm khác nhau, xin vui lòng sửa chúng tôi!