I. O propósito e a importância da medição da indutância síncrona
(1) Objetivo da medição dos parâmetros de indutância síncrona (ou seja, indutância do eixo cruzado)
Os parâmetros de indutância CA e CC são os dois parâmetros mais importantes em um motor síncrono de ímã permanente. Sua aquisição precisa é o pré-requisito e a base para o cálculo das características do motor, simulação dinâmica e controle de velocidade. A indutância síncrona pode ser usada para calcular muitas propriedades em regime permanente, como fator de potência, eficiência, torque, corrente de armadura, potência e outros parâmetros. No sistema de controle de motores de ímã permanente usando controle vetorial, os parâmetros do indutor síncrono estão diretamente envolvidos no algoritmo de controle, e os resultados da pesquisa mostram que, na região magnética fraca, a imprecisão dos parâmetros do motor pode levar a uma redução significativa do torque e da potência. Isso demonstra a importância dos parâmetros do indutor síncrono.
(2)Problemas a serem observados na medição da indutância síncrona
Para obter uma alta densidade de potência, a estrutura dos motores síncronos de ímã permanente é frequentemente projetada para ser mais complexa, e o circuito magnético do motor é mais saturado, o que resulta na variação do parâmetro de indutância síncrona do motor com a saturação do circuito magnético. Em outras palavras, os parâmetros mudarão com as condições de operação do motor, e os parâmetros de indutância síncrona não podem refletir com precisão a natureza dos parâmetros do motor. Portanto, é necessário medir os valores de indutância em diferentes condições de operação.
2. Métodos de medição de indutância síncrona de motor de ímã permanente
Este artigo reúne vários métodos de medição de indutância síncrona e os compara e analisa detalhadamente. Esses métodos podem ser categorizados em dois tipos principais: teste de carga direta e teste estático indireto. O teste estático é subdividido em teste estático CA e teste estático CC. Hoje, a primeira parte da nossa série "Métodos de Teste de Indutores Síncronos" explicará o método de teste de carga.
A literatura [1] introduz o princípio do método de carga direta. Motores de ímã permanente geralmente podem ser analisados usando a teoria de reação dupla para analisar sua operação de carga, e os diagramas de fase da operação do gerador e do motor são mostrados na Figura 1 abaixo. O ângulo de potência θ do gerador é positivo com E0 excedendo U, o ângulo do fator de potência φ é positivo com I excedendo U, e o ângulo do fator de potência interno ψ é positivo com E0 excedendo I. O ângulo de potência θ do motor é positivo com U excedendo E0, o ângulo do fator de potência φ é positivo com U excedendo I, e o ângulo do fator de potência interno ψ é positivo com I excedendo E0.
Fig. 1 Diagrama de fases da operação do motor síncrono de ímã permanente
(a) Estado do gerador (b) Estado do motor
De acordo com este diagrama de fases, pode-se obter: quando o motor de ímã permanente opera em carga, a força eletromotriz de excitação sem carga E0 medida, a tensão do terminal de armadura U, a corrente I, o ângulo do fator de potência φ e o ângulo de potência θ e assim por diante, pode-se obter a corrente de armadura do eixo reto, componente do eixo cruzado Id = Isin (θ - φ) e Iq = Icos (θ - φ), então Xd e Xq podem ser obtidos a partir da seguinte equação:
Quando o gerador estiver funcionando:
Xd=[E0-Ucosθ-IR1cos(θ-φ)]/Id (1)
Xq=[Usinθ+IR1sin(θ-φ)]/Iq (2)
Quando o motor está funcionando:
Xd=[E0-Ucosθ+IR1cos(θ-φ)]/Id (3)
Xq=[Usinθ-IR1sin(θ-φ)]/Iq (4)
Os parâmetros de regime permanente dos motores síncronos de ímã permanente mudam conforme as condições de operação do motor e, quando a corrente de armadura muda, tanto Xd quanto Xq mudam. Portanto, ao determinar os parâmetros, certifique-se de indicar também as condições de operação do motor. (Valor da corrente alternada e contínua do eixo ou da corrente do estator e ângulo do fator de potência interno)
A principal dificuldade na medição de parâmetros indutivos pelo método de carga direta reside na medição do ângulo de potência θ. Como sabemos, trata-se da diferença de fase entre a tensão terminal U do motor e a força eletromotriz de excitação. Quando o motor está funcionando de forma estável, a tensão final pode ser obtida diretamente, mas E0 não pode ser obtido diretamente, portanto, só pode ser obtido por um método indireto, obtendo-se um sinal periódico com a mesma frequência de E0 e uma diferença de fase fixa para substituir E0, a fim de realizar uma comparação de fase com a tensão final.
Os métodos indiretos tradicionais são:
1) no slot da armadura do motor sob teste, passo enterrado e a bobina original do motor de várias voltas de fio fino como uma bobina de medição, a fim de obter a mesma fase com o enrolamento do motor sob teste, sinal de comparação de tensão, através da comparação do ângulo do fator de potência pode ser obtido.
2) Instale um motor síncrono no eixo do motor em teste que seja idêntico ao motor em teste. O método de medição de fase de tensão [2], que será descrito abaixo, baseia-se neste princípio. O diagrama de conexão experimental é mostrado na Figura 2. O TSM é o motor síncrono de ímã permanente em teste, o ASM é um motor síncrono idêntico que é adicionalmente necessário, o PM é o motor primário, que pode ser um motor síncrono ou um motor CC, B é o freio e o DBO é um osciloscópio de feixe duplo. As fases B e C do TSM e do ASM são conectadas ao osciloscópio. Quando o TSM é conectado a uma fonte de alimentação trifásica, o osciloscópio recebe os sinais VTSM e E0ASM. Como os dois motores são idênticos e giram sincronizadamente, o potencial de retorno sem carga do TSM do testador e o potencial de retorno sem carga do ASM, que atua como um gerador, E0ASM, estão em fase. Portanto, o ângulo de potência θ, ou seja, a diferença de fase entre VTSM e E0ASM pode ser medido.
Fig. 2 Diagrama de fiação experimental para medição do ângulo de potência
Este método não é muito comumente usado, principalmente porque: ① no eixo do rotor montado no pequeno motor síncrono ou transformador rotativo necessário para ser medido, o motor tem duas extremidades estendidas do eixo, o que geralmente é difícil de fazer. ② A precisão da medição do ângulo de potência depende em grande parte do alto conteúdo harmônico do VTSM e E0ASM, e se o conteúdo harmônico for relativamente grande, a precisão da medição será reduzida.
3) Para melhorar a precisão do teste de ângulo de potência e a facilidade de uso, agora mais uso de sensores de posição para detectar o sinal de posição do rotor e, em seguida, comparação de fase com a abordagem de tensão final
O princípio básico é instalar um disco fotoelétrico projetado ou refletido no eixo do motor síncrono de ímã permanente medido, o número de furos uniformemente distribuídos no disco ou marcadores preto e branco e o número de pares de polos do motor síncrono em teste. Quando o disco gira uma revolução com o motor, o sensor fotoelétrico recebe sinais de posição do rotor p e gera pulsos de baixa tensão p. Quando o motor está funcionando de forma síncrona, a frequência deste sinal de posição do rotor é igual à frequência da tensão do terminal da armadura, e sua fase reflete a fase da força eletromotriz de excitação. O sinal de pulso de sincronização é amplificado por modelagem, defasagem e a tensão da armadura do motor de teste é comparada para obter a diferença de fase. Quando o motor está em operação sem carga, a diferença de fase é θ1 (aproximadamente que neste momento o ângulo de potência θ = 0), quando a carga está em operação, a diferença de fase é θ2, então a diferença de fase θ2 - θ1 é o valor do ângulo de potência de carga do motor síncrono de ímã permanente medido. O diagrama esquemático é mostrado na Figura 3.
Fig. 3 Diagrama esquemático da medição do ângulo de potência
Como o disco fotoelétrico é uniformemente revestido com marcas pretas e brancas, é mais difícil, e quando os polos do motor síncrono de ímã permanente medidos ao mesmo tempo, os discos de marcação não podem ser comuns. Para simplificar, também é possível testar o sensor fotoelétrico refletivo, que emite a luz coletada nesse círculo na superfície da fita, no eixo de acionamento do motor de ímã permanente, envolto em um círculo de fita preta, revestido com uma marca branca. Dessa forma, a cada volta do motor, o sensor fotoelétrico recebe uma luz refletida e é conduzido uma vez no transistor fotossensível, resultando em um sinal de pulso elétrico. Após amplificação e modelagem, obtém-se um sinal de comparação E1. A partir da extremidade do enrolamento da armadura do motor de teste, qualquer tensão bifásica é transferida para uma tensão baixa pelo transformador de tensão PT, que envia ao comparador de tensão, formando um sinal de pulso de tensão U1 representativo da fase retangular. U1 é dividido em frequências p, e o comparador de fase compara a fase e a fase. U1 pela frequência de divisão p, pelo comparador de fase para comparar sua diferença de fase com o sinal.
A desvantagem do método de medição do ângulo de potência acima é que a diferença entre as duas medições deve ser feita para obter o ângulo de potência. Para evitar a subtração das duas grandezas e reduzir a precisão, na medição da diferença de fase da carga θ², a inversão do sinal U², a diferença de fase medida é θ²' = 180° - θ², o ângulo de potência θ = 180° - (θ¹ + θ²'), o que converte as duas grandezas da subtração da fase para a adição. O diagrama da grandeza de fase é mostrado na Figura 4.
Fig. 4 Princípio do método de adição de fase para calcular a diferença de fase
Outro método aprimorado não usa a divisão de frequência do sinal de forma de onda retangular de tensão, mas usa um microcomputador para registrar simultaneamente a forma de onda do sinal, respectivamente, por meio da interface de entrada, registra as formas de onda do sinal de posição do rotor e da tensão sem carga U0, E0, bem como os sinais de forma de onda retangular de posição do rotor e da tensão de carga U1, E1 e, em seguida, move as formas de onda das duas gravações em relação uma à outra até que as formas de onda dos dois sinais de forma de onda retangular de tensão sejam completamente sobrepostas, quando a diferença de fase entre os dois rotores A diferença de fase entre os dois sinais de posição do rotor é o ângulo de potência; ou move a forma de onda para que as duas formas de onda do sinal de posição do rotor coincidam, então a diferença de fase entre os dois sinais de tensão é o ângulo de potência.
Deve-se ressaltar que, na operação sem carga real do motor síncrono de ímã permanente, o ângulo de potência não é zero. Especialmente para motores pequenos, devido à operação sem carga, a perda sem carga (incluindo perda de cobre do estator, perda de ferro, perda mecânica e perda parasita) é relativamente grande. Se você considerar que o ângulo de potência sem carga é zero, causará um grande erro na medição do ângulo de potência. Isso pode ser usado para fazer o motor CC funcionar no estado do motor, a direção da direção e a direção do motor de teste são consistentes. Com a direção do motor CC, o motor CC pode funcionar no mesmo estado e o motor CC pode ser usado como um motor de teste. Isso pode fazer com que o motor CC funcione no estado do motor, a direção e a direção do motor de teste sejam consistentes com o motor CC para fornecer todas as perdas no eixo do motor de teste (incluindo perda de ferro, perda mecânica, perda parasita, etc.). O método de julgamento é que a potência de entrada do motor de teste é igual ao consumo de cobre do estator, ou seja, P1 = pCu, e a tensão e a corrente estão em fase. Desta vez, o θ1 medido corresponde ao ângulo de potência zero.
Resumo: as vantagens deste método:
① O método de carga direta pode medir a indutância de saturação em estado estacionário sob vários estados de carga e não requer uma estratégia de controle, que é intuitiva e simples.
Como a medição é feita diretamente sob carga, o efeito de saturação e a influência da corrente de desmagnetização nos parâmetros de indutância podem ser levados em consideração.
Desvantagens deste método:
① O método de carga direta requer a medição de mais grandezas simultaneamente (tensão trifásica, corrente trifásica, ângulo do fator de potência, etc.). A medição do ângulo de potência é mais complexa e a precisão do teste de cada grandeza tem impacto direto na precisão dos cálculos dos parâmetros, sendo fácil acumular erros de todos os tipos no teste de parâmetros. Portanto, ao utilizar o método de carga direta para medir os parâmetros, deve-se prestar atenção à análise de erros e selecionar um instrumento de teste com maior precisão.
② O valor da força eletromotriz de excitação E0 neste método de medição é substituído diretamente pela tensão do terminal do motor em vazio, e essa aproximação também traz erros inerentes. Como o ponto de operação do ímã permanente varia com a carga, a permeabilidade e a densidade de fluxo do ímã permanente são diferentes em diferentes correntes do estator, resultando em uma força eletromotriz de excitação diferente. Dessa forma, a substituição da força eletromotriz de excitação em condições de carga pela força eletromotriz de excitação em vazio não é muito precisa.
Referências
[1] Tang Renyuan et al. Teoria e projeto de motores de ímã permanente modernos. Pequim: Machinery Industry Press. Março de 2011
[2] JF Gieras, M. Wing. Tecnologia de motores de ímã permanente, projeto e aplicações, 2ª ed. Nova York: Marcel Dekker, 2002:170~171
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Horário da publicação: 18 de julho de 2024