Messung der Synchroninduktivität von Permanentmagnetmotoren

I. Zweck und Bedeutung der Messung der Synchroninduktivität
(1) Zweck der Messung der Parameter der synchronen Induktivität (d. h. Querachseninduktivität)
Die AC- und DC-Induktivitätsparameter sind die beiden wichtigsten Parameter in einem Permanentmagnet-Synchronmotor. Ihre genaue Erfassung ist Voraussetzung und Grundlage für die Motorkennlinienberechnung, Dynamiksimulation und Drehzahlregelung. Mithilfe der Synchroninduktivität können viele stationäre Eigenschaften wie Leistungsfaktor, Wirkungsgrad, Drehmoment, Ankerstrom, Leistung und andere Parameter berechnet werden. Im Steuerungssystem eines Permanentmagnetmotors mit Vektorsteuerung sind die Parameter des Synchroninduktors direkt am Steuerungsalgorithmus beteiligt, und die Forschungsergebnisse zeigen, dass im schwachmagnetischen Bereich die Ungenauigkeit der Motorparameter zu einer erheblichen Reduzierung des Drehmoments führen kann und Macht. Dies zeigt die Bedeutung synchroner Induktorparameter.
(2)Bei der Messung der synchronen Induktivität sind Probleme zu beachten
Um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen, wird der Aufbau von Permanentmagnet-Synchronmotoren häufig komplexer ausgelegt und der Magnetkreis des Motors ist stärker gesättigt, was dazu führt, dass der Synchroninduktivitätsparameter des Motors mit der Sättigung variiert der Magnetkreis. Mit anderen Worten, die Parameter ändern sich mit den Betriebsbedingungen des Motors, sodass die Nennbetriebsbedingungen der Synchroninduktivitätsparameter die Art der Motorparameter nicht genau widerspiegeln können. Daher ist es notwendig, die Induktivitätswerte unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu messen.
2. Methoden zur Messung der Synchroninduktivität von Permanentmagnetmotoren
In diesem Artikel werden verschiedene Methoden zur Messung der synchronen Induktivität zusammengestellt und im Detail verglichen und analysiert. Diese Methoden können grob in zwei Haupttypen eingeteilt werden: direkte Belastungsprüfung und indirekte statische Prüfung. Statische Prüfungen werden weiter in statische Wechselstromprüfungen und statische Gleichstromprüfungen unterteilt. Heute wird im ersten Teil unserer „Synchronous Inductor Test Methods“ die Lasttestmethode erläutert.

In der Literatur [1] wird das Prinzip der Direktlastmethode vorgestellt. Permanentmagnetmotoren können normalerweise mithilfe der Doppelreaktionstheorie analysiert werden, um ihren Lastbetrieb zu analysieren. Die Phasendiagramme des Generator- und Motorbetriebs sind in Abbildung 1 unten dargestellt. Der Leistungswinkel θ des Generators ist positiv, wenn E0 größer als U ist, der Leistungsfaktorwinkel φ ist positiv, wenn I größer ist als U, und der interne Leistungsfaktorwinkel ψ ist positiv, wenn E0 größer ist als I. Der Leistungswinkel θ des Motors ist positiv mit Wenn U größer als E0 ist, ist der Leistungsfaktorwinkel φ positiv, wenn U größer als I ist, und der interne Leistungsfaktorwinkel ψ ist positiv, wenn I größer als E0 ist.

Abb. 1 Phasendiagramm des Permanentmagnet-Synchronmotorbetriebs
(a) Generatorzustand (b) Motorzustand

Gemäß diesem Phasendiagramm kann Folgendes erhalten werden: Wenn der Permanentmagnetmotor unter Last betrieben wird, können die gemessene elektromotorische Erregungskraft E0 im Leerlauf, die Ankerklemmenspannung U, der Strom I, der Leistungsfaktorwinkel φ und der Leistungswinkel θ usw. des Ankers erhalten werden Strom der geraden Achse, Querachsenkomponente Id = Isin (θ - φ) und Iq = Icos (θ - φ), dann können Xd und Xq aus der folgenden Gleichung erhalten werden:

Wenn der Generator läuft:

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

Bei laufendem Motor:

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

Die stationären Parameter von Permanentmagnet-Synchronmotoren ändern sich, wenn sich die Betriebsbedingungen des Motors ändern, und wenn sich der Ankerstrom ändert, ändern sich sowohl Xd als auch Xq. Geben Sie daher bei der Ermittlung der Parameter unbedingt auch die Betriebsbedingungen des Motors an. (Betrag des Wechsel- und Gleichwellenstroms bzw. Statorstroms und interner Leistungsfaktorwinkel)

Die Hauptschwierigkeit bei der Messung der induktiven Parameter mit der Direktlastmethode liegt in der Messung des Leistungswinkels θ. Wie wir wissen, handelt es sich um die Phasenwinkeldifferenz zwischen der Motorklemmenspannung U und der elektromotorischen Erregerkraft. Wenn der Motor stabil läuft, kann die Endspannung direkt erhalten werden, E0 kann jedoch nicht direkt erhalten werden, sodass sie nur durch eine indirekte Methode erhalten werden kann, um ein periodisches Signal mit derselben Frequenz wie E0 und einer festen Phasendifferenz zum Ersetzen zu erhalten E0, um einen Phasenvergleich mit der Endspannung durchzuführen.

Die traditionellen indirekten Methoden sind:
1) Im Ankerschlitz des zu prüfenden Motors werden mehrere Windungen feiner Drähte als Messspule vergraben und die Originalspule des Motors wird mit mehreren Windungen vergraben, um durch Vergleich ein Gleichphasensignal mit der zu prüfenden Motorwicklung zu erhalten Der Leistungsfaktorwinkel kann ermittelt werden.
2) Installieren Sie einen Synchronmotor auf der Welle des zu prüfenden Motors, der mit dem zu prüfenden Motor identisch ist. Auf diesem Prinzip basiert die Spannungsphasenmessmethode [2], die im Folgenden beschrieben wird. Das experimentelle Anschlussdiagramm ist in Abbildung 2 dargestellt. Der TSM ist der zu testende Permanentmagnet-Synchronmotor, der ASM ist ein identischer Synchronmotor, der zusätzlich benötigt wird, und der PM ist die Antriebsmaschine, die entweder ein Synchronmotor oder ein Gleichstrommotor sein kann Motor, B ist die Bremse und DBO ist ein Zweistrahloszilloskop. Die Phasen B und C von TSM und ASM sind mit dem Oszilloskop verbunden. Wenn das TSM an eine dreiphasige Stromversorgung angeschlossen ist, empfängt das Oszilloskop die Signale VTSM und E0ASM. Da die beiden Motoren identisch sind und sich synchron drehen, sind das Leerlauf-Rückpotential des TSM des Testers und das Leerlauf-Rückpotential des ASM, das als Generator fungiert, E0ASM, in Phase. Daher kann der Leistungswinkel θ, dh die Phasendifferenz zwischen VTSM und E0ASM, gemessen werden.

Abb. 2 Experimenteller Schaltplan zur Messung des Leistungswinkels

Diese Methode wird nicht sehr häufig verwendet, vor allem weil: ① Der in der Rotorwelle montierte kleine Synchronmotor oder Rotationstransformator muss gemessen werden, da der Motor über zwei ausgestreckte Wellenenden verfügt, was oft schwierig ist. ② Die Genauigkeit der Leistungswinkelmessung hängt weitgehend vom hohen Oberwellengehalt des VTSM und E0ASM ab. Wenn der Oberwellengehalt relativ groß ist, wird die Genauigkeit der Messung verringert.
3) Um die Genauigkeit des Leistungswinkeltests und die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern, werden jetzt mehr Positionssensoren zur Erkennung des Rotorpositionssignals und dann ein Phasenvergleich mit dem Endspannungsansatz verwendet
Das Grundprinzip besteht darin, eine projizierte oder reflektierte fotoelektrische Scheibe auf der Welle des zu messenden Permanentmagnet-Synchronmotors anzubringen, die Anzahl der gleichmäßig verteilten Löcher auf der Scheibe oder schwarze und weiße Markierungen und die Anzahl der Polpaare des zu prüfenden Synchronmotors zu bestimmen . Wenn sich die Scheibe mit dem Motor um eine Umdrehung dreht, empfängt der fotoelektrische Sensor p Rotorpositionssignale und erzeugt p Niederspannungsimpulse. Wenn der Motor synchron läuft, ist die Frequenz dieses Rotorpositionssignals gleich der Frequenz der Ankerklemmenspannung und seine Phase spiegelt die Phase der elektromotorischen Erregerkraft wider. Das Synchronisationsimpulssignal wird durch Formung verstärkt, phasenverschoben und zum Phasenvergleich mit der Ankerspannung des Motors verglichen, um die Phasendifferenz zu erhalten. Wenn der Motor im Leerlauf läuft, beträgt die Phasendifferenz θ1 (ungefähr, dass zu diesem Zeitpunkt der Leistungswinkel θ = 0 ist), wenn die Last läuft, beträgt die Phasendifferenz θ2, dann wird die Phasendifferenz θ2 - θ1 gemessen Lastleistungswinkelwert des Permanentmagnet-Synchronmotors. Das schematische Diagramm ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abb. 3 Schematische Darstellung der Leistungswinkelmessung

Da es bei der fotoelektrischen Scheibe schwieriger ist, gleichmäßig schwarze und weiße Markierungen zu beschichten, und wenn die Pole des Permanentmagnet-Synchronmotors gleichzeitig gemessen werden, kann die Markierungsscheibe nicht gemeinsam verwendet werden. Der Einfachheit halber kann auch die Antriebswelle des Permanentmagnetmotors getestet werden, die in einen Kreis aus schwarzem Klebeband gewickelt und mit einer weißen Markierung beschichtet ist, wobei der reflektierende fotoelektrische Sensor das von der Lichtquelle emittierte Licht in diesem Kreis auf der Oberfläche des Bandes sammelt. Auf diese Weise empfängt der fotoelektrische Sensor im fotoempfindlichen Transistor bei jeder Umdrehung des Motors reflektiertes Licht und leitet es einmal, was zu einem elektrischen Impulssignal führt und nach Verstärkung und Formung ein Vergleichssignal E1 ergibt. Vom Ende der Ankerwicklung des Testmotors wird eine beliebige zweiphasige Spannung durch den Spannungstransformator PT auf eine niedrige Spannung herabgesetzt und an den Spannungskomparator gesendet, wodurch ein für die Rechteckphase der Spannung repräsentatives Impulssignal U1 gebildet wird. U1 durch die p-Teilungsfrequenz, den Phasenkomparatorvergleich, um einen Vergleich zwischen der Phase und dem Phasenkomparator zu erhalten. U1 durch die p-Teilungsfrequenz, durch den Phasenkomparator, um seine Phasendifferenz mit dem Signal zu vergleichen.
Der Nachteil der oben genannten Methode zur Messung des Leistungswinkels besteht darin, dass die Differenz zwischen den beiden Messungen vorgenommen werden muss, um den Leistungswinkel zu erhalten. Um die Subtraktion der beiden Größen zu vermeiden und die Genauigkeit zu verringern, beträgt bei der Messung der Lastphasendifferenz θ2, der U2-Signalumkehr, die gemessene Phasendifferenz θ2'=180 ° - θ2, der Leistungswinkel θ = 180 ° - ( θ1 + θ2'), der die beiden Größen von der Subtraktion der Phase in die Addition umwandelt. Das Phasenmengendiagramm ist in Abb. 4 dargestellt.

Abb. 4 Prinzip der Phasenadditionsmethode zur Berechnung der Phasendifferenz

Eine andere verbesserte Methode verwendet nicht die Spannungs-Rechteckwellenform-Signalfrequenzteilung, sondern verwendet einen Mikrocomputer, um gleichzeitig die Signalwellenform aufzuzeichnen bzw. über die Eingangsschnittstelle die Leerlaufspannungs- und Rotorpositionssignalwellenformen U0, E0 usw. aufzuzeichnen Die Lastspannungs- und Rotorpositionssignale mit rechteckiger Wellenform U1, E1 werden aufgezeichnet, und dann werden die Wellenformen der beiden Aufzeichnungen relativ zueinander verschoben, bis sich die Wellenformen der beiden Spannungs-Rechteckwellensignale vollständig überlappen, wenn die Phasendifferenz zwischen den beiden Rotoren die Phasendifferenz ist zwischen den beiden Rotorpositionssignalen liegt der Leistungswinkel; Oder bewegen Sie die Wellenform so, dass die Wellenformen der beiden Rotorpositionssignale übereinstimmen. Dann ist die Phasendifferenz zwischen den beiden Spannungssignalen der Leistungswinkel.
Es sollte darauf hingewiesen werden, dass im tatsächlichen Leerlaufbetrieb eines Permanentmagnet-Synchronmotors der Leistungswinkel nicht Null ist, insbesondere bei kleinen Motoren, da im Leerlaufbetrieb Leerlaufverluste auftreten (einschließlich Statorkupferverlust, Eisenverlust, mechanischer Verlust, Streuverlust) ist relativ groß. Wenn Sie davon ausgehen, dass der Leerlauf-Leistungswinkel Null ist, führt dies zu einem großen Fehler bei der Messung des Leistungswinkels, der dazu verwendet werden kann, den Gleichstrommotor in diesem Zustand laufen zu lassen Die Richtung des Motors, die Richtung der Lenkung und die Lenkung des Prüfmotors stimmen überein. Mit der Lenkung des Gleichstrommotors kann der Gleichstrommotor im gleichen Zustand laufen und der Gleichstrommotor kann als Prüfmotor verwendet werden. Dies kann dafür sorgen, dass der Gleichstrommotor im Motorzustand läuft, die Lenkung und die Lenkung des Testmotors mit dem Gleichstrommotor in Einklang stehen und alle Wellenverluste des Testmotors (einschließlich Eisenverlust, mechanischer Verlust, Streuverlust usw.) decken. Die Beurteilungsmethode besteht darin, dass die Eingangsleistung des Testmotors gleich dem Kupferverbrauch des Stators ist, d. h. P1 = pCu, sowie der Spannung und dem Strom in Phase. Diesmal entspricht der gemessene θ1 dem Leistungswinkel Null.
Zusammenfassung: Die Vorteile dieser Methode:
① Die Direktlastmethode kann die stationäre Sättigungsinduktivität unter verschiedenen Lastzuständen messen und erfordert keine Steuerstrategie, was intuitiv und einfach ist.
Da die Messung direkt unter Last erfolgt, können der Sättigungseffekt und der Einfluss des Entmagnetisierungsstroms auf die Induktivitätsparameter berücksichtigt werden.
Nachteile dieser Methode:
① Bei der Direktlastmethode müssen mehr Größen gleichzeitig gemessen werden (dreiphasige Spannung, dreiphasiger Strom, Leistungsfaktorwinkel usw.), die Messung des Leistungswinkels ist schwieriger und die Genauigkeit des Tests beeinträchtigt Jede Größe hat einen direkten Einfluss auf die Genauigkeit der Parameterberechnungen, und alle Arten von Fehlern im Parametertest können sich leicht anhäufen. Daher sollte bei der Verwendung der Direktlastmethode zur Messung der Parameter auf die Fehleranalyse geachtet werden und eine höhere Genauigkeit des Prüfgeräts gewählt werden.
② Der Wert der elektromotorischen Erregerkraft E0 wird bei dieser Messmethode direkt durch die Motorklemmenspannung im Leerlauf ersetzt, und diese Näherung bringt auch inhärente Fehler mit sich. Denn der Arbeitspunkt des Permanentmagneten ändert sich mit der Last, was bedeutet, dass bei unterschiedlichen Statorströmen die Permeabilität und Flussdichte des Permanentmagneten unterschiedlich sind, sodass auch die resultierende elektromotorische Erregerkraft unterschiedlich ist. Auf diese Weise ist es nicht sehr genau, die elektromotorische Erregerkraft im Lastzustand durch die elektromotorische Erregerkraft im Leerlauf zu ersetzen.
Referenzen
[1] Tang Renyuan et al. Theorie und Design moderner Permanentmagnetmotoren. Peking: Machinery Industry Press. März 2011
[2] JF Gieras, M. Wing. Technologie, Design und Anwendungen von Permanentmagnetmotoren, 2. Auflage. New York: Marcel Dekker, 2002:170~171
Urheberrecht: Dieser Artikel ist ein Nachdruck des WeChat Public Number Motor Peek (电机极客), dem ursprünglichen Linkhttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A

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