اندازه‌گیری اندوکتانس سنکرون موتورهای آهنربای دائم

I. هدف و اهمیت اندازه‌گیری اندوکتانس سنکرون
(1) هدف از اندازه‌گیری پارامترهای اندوکتانس سنکرون (یعنی اندوکتانس محور متقاطع)
پارامترهای اندوکتانس AC و DC دو پارامتر مهم در یک موتور سنکرون مغناطیس دائم هستند. بدست آوردن دقیق آنها پیش‌نیاز و پایه محاسبه مشخصه موتور، شبیه‌سازی دینامیکی و کنترل سرعت است. اندوکتانس سنکرون می‌تواند برای محاسبه بسیاری از خواص حالت پایدار مانند ضریب توان، راندمان، گشتاور، جریان آرمیچر، توان و سایر پارامترها استفاده شود. در سیستم کنترل موتور مغناطیس دائم با استفاده از کنترل برداری، پارامترهای سلف سنکرون مستقیماً در الگوریتم کنترل دخیل هستند و نتایج تحقیقات نشان می‌دهد که در ناحیه مغناطیسی ضعیف، عدم دقت پارامترهای موتور می‌تواند منجر به کاهش قابل توجه گشتاور و توان شود. این امر اهمیت پارامترهای سلف سنکرون را نشان می‌دهد.
(2) مشکلاتی که باید در اندازه‌گیری اندوکتانس سنکرون مورد توجه قرار گیرند
برای دستیابی به چگالی توان بالا، ساختار موتورهای سنکرون آهنربای دائم اغلب پیچیده‌تر طراحی می‌شود و مدار مغناطیسی موتور اشباع‌تر می‌شود که منجر به تغییر پارامتر اندوکتانس سنکرون موتور با اشباع مدار مغناطیسی می‌شود. به عبارت دیگر، پارامترها با شرایط کارکرد موتور تغییر می‌کنند، به طور کامل با شرایط کارکرد نامی پارامترهای اندوکتانس سنکرون نمی‌توانند ماهیت پارامترهای موتور را به طور دقیق منعکس کنند. بنابراین، اندازه‌گیری مقادیر اندوکتانس در شرایط کارکرد مختلف ضروری است.
۲. روش‌های اندازه‌گیری اندوکتانس سنکرون موتور آهنربای دائم
این مقاله روش‌های مختلف اندازه‌گیری اندوکتانس سنکرون را جمع‌آوری کرده و مقایسه و تحلیل دقیقی از آنها ارائه می‌دهد. این روش‌ها را می‌توان تقریباً به دو نوع اصلی طبقه‌بندی کرد: تست بار مستقیم و تست استاتیک غیرمستقیم. تست استاتیک خود به تست استاتیک AC و تست استاتیک DC تقسیم می‌شود. امروز، اولین بخش از «روش‌های تست سلف سنکرون» ما، روش تست بار را توضیح خواهد داد.

در منابع [1] اصل روش بار مستقیم معرفی شده است. موتورهای آهنربای دائمی معمولاً می‌توانند با استفاده از نظریه واکنش دوگانه برای تحلیل عملکرد بار خود تجزیه و تحلیل شوند و نمودارهای فاز عملکرد ژنراتور و موتور در شکل 1 زیر نشان داده شده است. زاویه توان θ ژنراتور مثبت است و E0 از U بیشتر است، زاویه ضریب توان φ مثبت است و I از U بیشتر است و زاویه ضریب توان داخلی ψ مثبت است و E0 از I بیشتر است. زاویه توان θ موتور مثبت است و U از E0 بیشتر است، زاویه ضریب توان φ مثبت است و U از I بیشتر است و زاویه ضریب توان داخلی ψ مثبت است و I از E0 بیشتر است.

شکل ۱ نمودار فاز عملکرد موتور سنکرون آهنربای دائم
(الف) حالت ژنراتور (ب) حالت موتور

طبق این نمودار فاز می‌توان بدست آورد: وقتی موتور آهنربای دائم در حال کار با بار است، نیروی محرکه الکتریکی تحریک بدون بار E0، ولتاژ ترمینال آرمیچر U، جریان I، زاویه ضریب توان φ و زاویه توان θ و غیره اندازه‌گیری می‌شوند، می‌توان جریان آرمیچر محور مستقیم، مولفه متقاطع محور Id = Isin (θ - φ) و Iq = Icos (θ - φ) را بدست آورد، سپس Xd و Xq را می‌توان از معادله زیر بدست آورد:

وقتی ژنراتور روشن است:

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

وقتی موتور در حال کار است:

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

پارامترهای حالت پایدار موتورهای سنکرون آهنربای دائم با تغییر شرایط کار موتور تغییر می‌کنند و هنگامی که جریان آرمیچر تغییر می‌کند، Xd و Xq هر دو تغییر می‌کنند. بنابراین، هنگام تعیین پارامترها، حتماً شرایط کار موتور را نیز نشان دهید. (مقدار جریان متناوب و مستقیم شفت یا جریان استاتور و زاویه ضریب توان داخلی)

مشکل اصلی هنگام اندازه‌گیری پارامترهای القایی با روش بار مستقیم، اندازه‌گیری زاویه توان θ است. همانطور که می‌دانیم، این اختلاف زاویه فاز بین ولتاژ ترمینال موتور U و نیروی محرکه الکتریکی تحریک است. هنگامی که موتور به طور پایدار کار می‌کند، ولتاژ انتهایی را می‌توان مستقیماً بدست آورد، اما E0 را نمی‌توان مستقیماً بدست آورد، بنابراین فقط می‌توان آن را با یک روش غیرمستقیم بدست آورد تا یک سیگنال تناوبی با فرکانس مشابه E0 و یک اختلاف فاز ثابت برای جایگزینی E0 بدست آورد تا مقایسه فاز با ولتاژ انتهایی انجام شود.

روش‌های سنتی غیرمستقیم عبارتند از:
۱) در شیار آرمیچر موتور تحت آزمایش، گام مدفون شده و سیم‌پیچ اصلی موتور از چندین دور سیم نازک به عنوان سیم‌پیچ اندازه‌گیری استفاده می‌شود تا سیگنال مقایسه ولتاژ تحت آزمایش با سیم‌پیچ موتور هم فاز شود و از طریق مقایسه، زاویه ضریب توان به دست آید.
2) یک موتور سنکرون را روی شفت موتور تحت آزمایش نصب کنید که با موتور تحت آزمایش یکسان باشد. روش اندازه‌گیری فاز ولتاژ [2] که در ادامه توضیح داده خواهد شد، بر اساس این اصل است. نمودار اتصال تجربی در شکل 2 نشان داده شده است. TSM موتور سنکرون آهنربای دائم تحت آزمایش است، ASM یک موتور سنکرون یکسان است که علاوه بر آن مورد نیاز است، PM محرک اصلی است که می‌تواند یک موتور سنکرون یا یک موتور DC باشد، B ترمز است و DBO یک اسیلوسکوپ دو پرتو است. فازهای B و C TSM و ASM به اسیلوسکوپ متصل می‌شوند. هنگامی که TSM به یک منبع تغذیه سه فاز متصل می‌شود، اسیلوسکوپ سیگنال‌های VTSM و E0ASM را دریافت می‌کند. از آنجا که دو موتور یکسان هستند و به صورت همزمان می‌چرخند، پتانسیل برگشتی بدون بار TSM تستر و پتانسیل برگشتی بدون بار ASM که به عنوان ژنراتور، E0ASM، عمل می‌کند، هم فاز هستند. بنابراین، زاویه توان θ، یعنی اختلاف فاز بین VTSM و E0ASM را می‌توان اندازه‌گیری کرد.

شکل 2 نمودار سیم‌کشی تجربی برای اندازه‌گیری زاویه توان

این روش خیلی رایج نیست، عمدتاً به این دلایل: ۱. موتور سنکرون کوچک یا ترانسفورماتور دوار که روی شفت روتور نصب شده است، برای اندازه‌گیری نیاز به دو انتهای کشیده شفت دارد که اغلب انجام آن دشوار است. ۲. دقت اندازه‌گیری زاویه توان تا حد زیادی به محتوای هارمونیک بالای VTSM و E0ASM بستگی دارد و اگر محتوای هارمونیک نسبتاً زیاد باشد، دقت اندازه‌گیری کاهش می‌یابد.
۳) برای بهبود دقت تست زاویه توان و سهولت استفاده، اکنون بیشتر از حسگرهای موقعیت برای تشخیص سیگنال موقعیت روتور و سپس مقایسه فاز با رویکرد ولتاژ نهایی استفاده می‌شود.
اصل اساسی نصب یک دیسک فوتوالکتریک تابیده یا منعکس شده بر روی شفت موتور سنکرون آهنربای دائم اندازه‌گیری شده، تعداد سوراخ‌های توزیع شده یکنواخت روی دیسک یا نشانگرهای سیاه و سفید و تعداد جفت قطب‌های موتور سنکرون تحت آزمایش است. هنگامی که دیسک یک دور با موتور می‌چرخد، حسگر فوتوالکتریک سیگنال‌های موقعیت روتور p را دریافت کرده و پالس‌های ولتاژ پایین p تولید می‌کند. هنگامی که موتور به صورت سنکرون کار می‌کند، فرکانس این سیگنال موقعیت روتور برابر با فرکانس ولتاژ ترمینال آرمیچر است و فاز آن منعکس کننده فاز نیروی محرکه الکتریکی تحریک است. سیگنال پالس همگام‌سازی با شکل‌دهی، تغییر فاز و ولتاژ آرمیچر موتور تست برای مقایسه فاز تقویت می‌شود تا اختلاف فاز به دست آید. هنگامی که موتور در حالت بی‌باری کار می‌کند، اختلاف فاز θ1 تنظیم می‌شود (تقریباً در این زمان زاویه توان θ = 0)، هنگامی که بار در حال کار است، اختلاف فاز θ2 است، سپس اختلاف فاز θ2 - θ1 مقدار زاویه توان بار موتور سنکرون آهنربای دائم اندازه‌گیری شده است. نمودار شماتیک در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3 نمودار شماتیک اندازه‌گیری زاویه توان

همانطور که در دیسک فوتوالکتریک، علامت‌گذاری یکنواخت با رنگ سیاه و سفید دشوارتر است، و هنگامی که قطب‌های موتور سنکرون آهنربای دائم اندازه‌گیری می‌شوند، علامت‌گذاری همزمان دیسک نمی‌تواند با یکدیگر مشترک باشد. برای سادگی، می‌توان شفت محرک موتور آهنربای دائم را که در یک دایره از نوار سیاه پوشیده شده و با یک علامت سفید پوشانده شده است، آزمایش کرد. منبع نور بازتابنده سنسور فوتوالکتریک که توسط نور ساطع می‌شود، در این دایره روی سطح نوار جمع می‌شود. به این ترتیب، در هر چرخش موتور، سنسور فوتوالکتریک در ترانزیستور حساس به نور، یک نور منعکس شده دریافت می‌کند و یک بار هدایت می‌شود و در نتیجه یک سیگنال پالس الکتریکی ایجاد می‌شود. پس از تقویت و شکل‌دهی، سیگنال مقایسه E1 حاصل می‌شود. از انتهای سیم‌پیچ آرمیچر موتور تست، هر ولتاژ دو فاز، توسط ترانسفورماتور ولتاژ PT به ولتاژ پایین کاهش می‌یابد و به مقایسه‌گر ولتاژ ارسال می‌شود تا یک نماینده از فاز مستطیلی از سیگنال پالس ولتاژ U1 تشکیل شود. U1 توسط فرکانس تقسیم p، مقایسه‌گر فاز برای مقایسه بین فاز و مقایسه‌گر فاز انجام می‌شود. U1 توسط فرکانس تقسیم p، توسط مقایسه‌گر فاز برای مقایسه اختلاف فاز آن با سیگنال.
نقص روش اندازه‌گیری زاویه توان فوق این است که برای بدست آوردن زاویه توان باید اختلاف بین دو اندازه‌گیری انجام شود. به منظور جلوگیری از تفریق دو کمیت و کاهش دقت، در اندازه‌گیری اختلاف فاز بار θ2، معکوس شدن سیگنال U2، اختلاف فاز اندازه‌گیری شده θ2'=180 ° - θ2، زاویه توان θ=180 ° - (θ1 + θ2') است که دو کمیت را از تفریق فاز به جمع تبدیل می‌کند. نمودار کمیت فاز در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل 4. اصل روش جمع فاز برای محاسبه اختلاف فاز

روش بهبود یافته دیگر از تقسیم فرکانس سیگنال شکل موج مستطیلی ولتاژ استفاده نمی‌کند، بلکه از یک میکروکامپیوتر برای ثبت همزمان شکل موج سیگنال استفاده می‌کند، به ترتیب از طریق رابط ورودی، شکل موج‌های ولتاژ بدون بار و سیگنال موقعیت روتور U0، E0 و همچنین سیگنال‌های شکل موج مستطیلی ولتاژ بار و موقعیت روتور U1، E1 را ثبت می‌کند و سپس شکل موج‌های دو سیگنال ضبط شده را نسبت به یکدیگر حرکت می‌دهد تا زمانی که شکل موج‌های دو سیگنال شکل موج مستطیلی ولتاژ کاملاً همپوشانی داشته باشند، زمانی که اختلاف فاز بین دو سیگنال موقعیت روتور، زاویه توان است؛ یا شکل موج را به گونه‌ای حرکت می‌دهد که دو شکل موج سیگنال موقعیت روتور بر هم منطبق شوند، سپس اختلاف فاز بین دو سیگنال ولتاژ، زاویه توان است.
لازم به ذکر است که در عملکرد واقعی بدون بار موتور سنکرون آهنربای دائم، زاویه توان صفر نیست، به خصوص برای موتورهای کوچک، به دلیل عملکرد بدون بار، تلفات بدون بار (از جمله تلفات مس استاتور، تلفات آهن، تلفات مکانیکی، تلفات سرگردان) نسبتاً زیاد است. اگر فکر می‌کنید زاویه توان بدون بار صفر است، باعث ایجاد خطای بزرگی در اندازه‌گیری زاویه توان می‌شود که می‌توان از آن برای ایجاد هماهنگی بین جهت فرمان و فرمان موتور تست در حالت موتور DC در حال کار استفاده کرد. با فرمان موتور DC، موتور DC می‌تواند در همان حالت کار کند و موتور DC می‌تواند به عنوان موتور تست استفاده شود. این می‌تواند باعث شود موتور DC در حال کار در حالت موتور، جهت فرمان و فرمان موتور تست با موتور DC سازگار باشد تا تمام تلفات شفت موتور تست (از جمله تلفات آهن، تلفات مکانیکی، تلفات سرگردان و غیره) را فراهم کند. روش قضاوت این است که توان ورودی موتور تست برابر با مصرف مس استاتور، یعنی P1 = pCu و ولتاژ و جریان هم فاز باشد. این بار θ1 اندازه‌گیری شده مربوط به زاویه توان صفر است.
خلاصه: مزایای این روش:
① روش بار مستقیم می‌تواند اندوکتانس اشباع حالت پایدار را تحت حالت‌های مختلف بار اندازه‌گیری کند و نیازی به استراتژی کنترلی ندارد که شهودی و ساده است.
از آنجا که اندازه‌گیری مستقیماً تحت بار انجام می‌شود، می‌توان اثر اشباع و تأثیر جریان مغناطیس‌زدایی بر پارامترهای اندوکتانس را در نظر گرفت.
معایب این روش:
① روش بار مستقیم نیاز به اندازه‌گیری همزمان کمیت‌های بیشتری (ولتاژ سه فاز، جریان سه فاز، زاویه ضریب توان و غیره) دارد، اندازه‌گیری زاویه توان دشوارتر است و دقت آزمایش هر کمیت تأثیر مستقیمی بر دقت محاسبات پارامتر دارد و انواع خطاها در آزمایش پارامتر به راحتی جمع می‌شوند. بنابراین، هنگام استفاده از روش بار مستقیم برای اندازه‌گیری پارامترها، باید به تحلیل خطا توجه شود و ابزار آزمایش با دقت بالاتری انتخاب شود.
② مقدار نیروی محرکه الکتریکی تحریک E0 در این روش اندازه‌گیری مستقیماً با ولتاژ ترمینال موتور در حالت بی‌باری جایگزین می‌شود و این تقریب نیز خطاهای ذاتی را به همراه دارد. زیرا نقطه کار آهنربای دائمی با بار تغییر می‌کند، به این معنی که در جریان‌های مختلف استاتور، نفوذپذیری و چگالی شار آهنربای دائمی متفاوت است، بنابراین نیروی محرکه الکتریکی تحریک حاصل نیز متفاوت است. به این ترتیب، جایگزینی نیروی محرکه الکتریکی تحریک در شرایط بار با نیروی محرکه الکتریکی تحریک در حالت بی‌باری خیلی دقیق نیست.
منابع
[1] تانگ رنیوان و همکاران. تئوری و طراحی موتور آهنربای دائمی مدرن. پکن: انتشارات صنعت ماشین آلات. مارس 2011
[2] جی اف گیراس، ام. وینگ. فناوری، طراحی و کاربردهای موتور آهنربای دائم، ویرایش دوم. نیویورک: مارسل دکر، 2002: 170~171
حق نشر: این مقاله بازنشری از گزارش شماره عمومی موتور در وی چت (电机极客) است، لینک اصلیhttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A

این مقاله بیانگر دیدگاه‌های شرکت ما نیست. اگر نظرات یا دیدگاه‌های متفاوتی دارید، لطفاً ما را اصلاح کنید!