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 của việc đo các thông số của độ tự cảm đồng bộ (tức là độ tự cảm trục chéo)
Các 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 các thông số này là điều kiện tiên quyết và nền tảng cho 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 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 vectơ, các thông số của cuộn cảm đồng bộ có liên quan trực tiếp đến thuật toán điều khiển và kết quả nghiên cứu cho thấy rằng trong vùng từ yếu, độ không chính xác của các thông số động cơ có thể dẫn đến giảm đáng kể mô men xoắn và công suất. Điều này cho thấy tầm quan trọng của các thông số của 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 trúc của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thường được thiết kế phức tạp hơn và mạch từ của động cơ bão hòa hơn, dẫn đến tham số độ tự cảm đồng bộ của động cơ thay đổi theo độ bão hòa của mạch từ. Nói cách khác, các tham số sẽ thay đổi theo điều kiện vận hành của động cơ, hoàn toàn với các điều kiện vận hành định mức của các tham số độ tự cảm đồng bộ không thể phản ánh chính xác bản chất của các tham số động cơ. Do đó, cần phải đo các giá trị độ tự cảm trong các điều kiện vận hành khác nhau.
2.phương pháp đo độ tự cảm đồng bộ của động cơ nam châm vĩnh cửu
Bài báo này tập hợp nhiều phương pháp đo độ tự cảm đồng bộ và so sánh và phân tích chi tiết các phương pháp này. Các phương pháp này có thể được phân loại sơ bộ thành hai loại chính: thử tải trực tiếp và thử tĩnh gián tiếp. Thử tĩnh được chia thành thử tĩnh AC và thử tĩnh DC. Hôm nay, phần đầu tiên của "Phương pháp thử cuộn cảm đồng bộ" của chúng tôi sẽ giải thích về phương pháp thử 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 hoạt động máy phát điện và động cơ được thể hiện trong Hình 1 bên dưới. Góc công suất θ của máy phát điện là dương với E0 vượt quá U, góc hệ số công suất φ là dương với I vượt quá U và góc hệ số công suất bên trong ψ là dương với E0 vượt quá I. Góc công suất θ của động cơ là dương với U vượt quá E0, góc hệ số công suất φ là dương với U vượt quá I và góc hệ số công suất bên trong ψ là dương với 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 điện (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 suất điện động kích thích không tải E0, điện áp cực phần ứng U, dòng điện I, góc hệ số công suất φ và góc công suất θ v.v., có thể thu được dòng điện phần ứng của trục thẳng, thành phần trục chéo Id = Isin (θ - φ) và Iq = Icos (θ - φ), khi đó có thể thu được Xd và Xq 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 vận hành của động cơ thay đổi và khi dòng điện phần ứng thay đổi, cả Xd và Xq đều thay đổi. Do đó, khi xác định các thông số, hãy đảm bảo chỉ ra cả điều kiện vận hành của động cơ. (Lượng dòng điện trục xoay chiều và trực tiếp 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 phép đo góc công suất θ. Như chúng ta đã biết, đó là độ lệch góc pha giữa điện áp đầu cực động cơ U và suất điện động kích thích. Khi động cơ chạy ổn định, điện áp cuối có thể thu được trực tiếp, nhưng E0 không thể thu được trực tiếp, do đó chỉ có thể thu được bằng phương pháp gián tiếp để thu được tín hiệu tuần hoàn có cùng tần số với E0 và độ lệch pha cố định để thay thế E0 nhằm 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, đặt một vài vòng dây mảnh vào cuộn dây ban đầu của động cơ làm cuộn dây đo, để có được tín hiệu so sánh điện áp cùng pha với cuộn dây động cơ được thử nghiệm, thông qua việc so sánh góc hệ số công suất có thể thu được.
2) Lắp một động cơ đồng bộ trên trục của động cơ đang thử nghiệm giống hệt với động cơ đang thử nghiệm. Phương pháp đo pha điện áp [2], sẽ được mô tả bên dưới, dựa trên nguyên lý này. Sơ đồ kết nối thử nghiệm được thể hiện trong Hình 2. TSM là động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đang thử nghiệm, ASM là động cơ đồng bộ giống hệt nhau nhưng được yêu cầu bổ sung, PM là động cơ chính, có thể là động cơ đồng bộ hoặc động cơ DC, B là phanh và DBO là máy hiện sóng chùm 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 nhận được các tín hiệu VTSM và E0ASM. Vì hai động cơ giống hệt nhau và quay đồng bộ, nên điện thế ngược không tải của TSM của máy kiểm tra và điện thế ngược không tải của ASM, hoạt động như một máy phát, E0ASM, cùng pha. Do đó, góc công suất θ, tức là độ lệch pha giữa VTSM và E0ASM có thể được đo.

Hình 2 Sơ đồ đấu dây thử nghiệm để đo góc công suất

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

Hình 3 Sơ đồ đo góc công suất

Như trong đĩa quang điện được phủ đồng đều với dấu đen trắng khó hơn, và khi các cực động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu đo được cùng lúc đĩa đánh dấu không thể chung với nhau. Để đơn giản, cũng có thể được thử nghiệm trong trục truyền động động cơ nam châm vĩnh cửu được quấn trong một vòng băng đen, phủ một dấu trắng, nguồn sáng cảm biến quang điện phản xạ phát ra bởi ánh sáng tập trung trong vòng tròn này trên bề mặt băng. Theo cách này, mỗi vòng quay của động cơ, cảm biến quang điện trong bóng bán dẫn nhạy sáng do nhận được ánh sáng phản xạ và dẫn một lần, tạo ra tín hiệu xung điện, sau khi khuếch đại và định hình để có được tín hiệu so sánh E1. từ đầu cuộn dây phần ứng động cơ thử nghiệm của bất kỳ điện áp hai pha nào, bằng máy biến áp điện áp PT xuống điện áp thấp, được gửi đến bộ so sánh điện áp, hình thành một đại diện của pha hình chữ nhật của tín hiệu xung điện áp U1. U1 theo tần số chia p, so sánh pha để có được sự so sánh giữa pha và bộ so sánh pha. U1 theo tần số chia p, theo 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 lấy hiệu số giữa hai phép đo để có được góc công suất. Để tránh hai đại lượng bị trừ đi và làm giảm độ chính xác, trong phép đo độ lệch pha tải θ2, sự đảo ngược 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. Sơ đồ đại lượng pha được thể hiện 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 tín hiệu dạng sóng hình chữ nhật điện áp phân chia tần số, mà sử dụng máy vi tính để đồng thời ghi lại 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 tín hiệu dạng sóng hình chữ nhật vị trí rôto 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 hoàn toàn chồng chéo lên nhau, khi 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 khi hai dạng sóng tín hiệu vị trí rôto trùng nhau, khi đó độ lệch pha giữa hai tín hiệu điện áp là góc công suất.
Cần lưu ý rằng hoạt động không tải thực tế của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, góc công suất không bằng 0, đặc biệt đối với động cơ nhỏ, do hoạt động không tải của tổn thất không tải (bao gồm tổn thất đồng stato, tổn thất sắt, tổn thất cơ học, tổn thất lạc) tương đối lớn, nếu bạn nghĩ rằng góc công suất không tải bằng 0, nó sẽ gây ra lỗi lớn trong phép đo góc công suất, có thể được sử dụng để làm cho động cơ DC chạy ở trạng thái của động cơ, hướng lái và lái động cơ thử nghiệm nhất quán, với lái động cơ DC, động cơ DC có thể chạy trên cùng một 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, lái và lái động cơ thử nghiệm nhất quán với động cơ DC để cung cấp tất cả các tổn thất trục của động cơ thử nghiệm (bao gồm tổn thất sắt, tổn thất cơ học, tổn thất lạc, v.v.). Phương pháp phán đoán là công suất đầu vào của động cơ thử nghiệm bằng với mức tiêu thụ đồng stato, nghĩa là P1 = pCu và điện áp và dòng điện cùng pha. Lần này, θ1 được đo tương ứng với góc lũy thừa bằng không.
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 dưới nhiều trạng thái tải khác nhau và không yêu cầu chiến lược điều khiển, trực quan và đơn giản.
Do phép đo được thực hiện trực tiếp dưới tải nên có thể tính đến hiệu ứng bão hòa và ảnh hưởng của dòng điện khử từ lên các thông số độ tự cảm.
Nhược điểm của phương pháp này:
① Phương pháp tải trực tiếp cần đo nhiều đại lượng cùng một lúc (điện áp ba pha, dòng điện ba pha, góc hệ số công suất, v.v.), việc đo góc công suất khó hơn và độ chính xác của phép thử từng đại lượng có tác động trực tiếp đến độ chính xác của phép tính tham số, và tất cả các loại lỗi trong phép thử tham số đều dễ tích lũy. Do đó, khi sử dụng phương pháp tải trực tiếp để đo các tham số, cần chú ý đến phân tích lỗi và chọn độ chính xác cao hơn của dụng cụ thử nghiệm.
② Giá trị 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 mang lại sai số cố hữu. Bởi vì, điểm hoạt động của nam châm vĩnh cửu thay đổi theo tải, điều này có nghĩa là ở các dòng điện stato khác nhau, độ từ thẩm và mật độ từ thông của nam châm vĩnh cửu là khác nhau, do đó suất điện động kích thích thu được cũng khác nhau. Theo cách này, việc thay thế suất điện động kích thích trong điều kiện có tải bằng suất điện động kích thích khi không tải là không chính xác lắm.
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. Wing. Công nghệ động cơ nam châm vĩnh cửu, thiết kế và ứng dụng, ấn bản lần 2. New York: Marcel Dekker, 2002:170~171
Bản quyền: Bài viết này là bản in lại của WeChat public number motor peek(电机极客), liên kết gốchttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A

Bài viết này không đại diện cho quan điểm của công ty chúng tôi. Nếu bạn có ý kiến ​​hoặc quan điểm khác, vui lòng chỉnh sửa cho chúng tôi!