การวัดค่าเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัสของมอเตอร์แม่เหล็กถาวร

I. วัตถุประสงค์และความสำคัญของการวัดค่าความเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัส
(1) วัตถุประสงค์ของการวัดค่าพารามิเตอร์ของความเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัส (เช่น ความเหนี่ยวนำแกนไขว้)
พารามิเตอร์ความเหนี่ยวนำกระแสสลับและกระแสตรงเป็นสองพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร การวัดค่าที่แม่นยำเป็นปัจจัยสำคัญและเป็นพื้นฐานสำหรับการคำนวณคุณลักษณะของมอเตอร์ การจำลองแบบไดนามิก และการควบคุมความเร็ว พารามิเตอร์ความเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัสสามารถใช้คำนวณคุณสมบัติสภาวะคงตัวได้หลายอย่าง เช่น ค่าตัวประกอบกำลัง ประสิทธิภาพ แรงบิด กระแสอาร์เมเจอร์ กำลังไฟฟ้า และพารามิเตอร์อื่นๆ ในระบบควบคุมมอเตอร์แม่เหล็กถาวรที่ใช้การควบคุมแบบเวกเตอร์ พารามิเตอร์ตัวเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัสจะเกี่ยวข้องโดยตรงกับอัลกอริทึมการควบคุม และผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าในบริเวณที่มีแม่เหล็กอ่อน ความไม่แม่นยำของพารามิเตอร์มอเตอร์สามารถนำไปสู่การลดลงอย่างมีนัยสำคัญของแรงบิดและกำลังไฟฟ้า นี่แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของพารามิเตอร์ตัวเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัส
(2) ปัญหาที่ต้องสังเกตในการวัดค่าเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัส
เพื่อให้ได้ความหนาแน่นกำลังสูง โครงสร้างของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรมักถูกออกแบบให้ซับซ้อนมากขึ้น และวงจรแม่เหล็กของมอเตอร์ก็อิ่มตัวมากขึ้น ส่งผลให้ค่าพารามิเตอร์เหนี่ยวนำซิงโครนัสของมอเตอร์แปรผันตามความอิ่มตัวของวงจรแม่เหล็ก กล่าวอีกนัยหนึ่ง ค่าพารามิเตอร์จะเปลี่ยนแปลงไปตามสภาวะการทำงานของมอเตอร์ ซึ่งสภาวะการทำงานที่กำหนดของค่าพารามิเตอร์เหนี่ยวนำซิงโครนัสไม่สามารถสะท้อนลักษณะของพารามิเตอร์ของมอเตอร์ได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องวัดค่าเหนี่ยวนำภายใต้สภาวะการทำงานที่แตกต่างกัน
2.วิธีการวัดความเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัสของมอเตอร์แม่เหล็กถาวร
บทความนี้รวบรวมวิธีการวัดค่าความเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัสที่หลากหลาย พร้อมเปรียบเทียบและวิเคราะห์อย่างละเอียด วิธีการเหล่านี้สามารถแบ่งได้คร่าวๆ เป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ การทดสอบโหลดโดยตรงและการทดสอบสถิตทางอ้อม การทดสอบสถิตยังแบ่งย่อยได้อีกเป็นการทดสอบสถิต AC และการทดสอบสถิต DC วันนี้ ตอนแรกของบทความ "วิธีทดสอบตัวเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัส" จะอธิบายวิธีการทดสอบโหลด

เอกสาร [1] แนะนำหลักการของวิธีการโหลดโดยตรง มอเตอร์แม่เหล็กถาวรโดยทั่วไปสามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้ทฤษฎีปฏิกิริยาคู่เพื่อวิเคราะห์การทำงานของโหลด และแผนภาพเฟสของการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์แสดงในรูปที่ 1 ด้านล่าง มุมกำลัง θ ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นบวกเมื่อ E0 มากกว่า U มุมตัวประกอบกำลัง φ เป็นบวกเมื่อ I มากกว่า U และมุมตัวประกอบกำลังภายใน ψ เป็นบวกเมื่อ E0 มากกว่า I มุมกำลัง θ ของมอเตอร์เป็นบวกเมื่อ U มากกว่า E0 มุมตัวประกอบกำลัง φ เป็นบวกเมื่อ U มากกว่า I และมุมตัวประกอบกำลังภายใน ψ เป็นบวกเมื่อ I มากกว่า E0

รูปที่ 1 แผนภาพเฟสการทำงานของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร
(ก) สถานะเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (ข) สถานะมอเตอร์

ตามแผนภาพเฟสนี้สามารถรับได้: เมื่อมอเตอร์แม่เหล็กถาวรทำงานโหลด วัดแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้นแบบไม่มีโหลด E0 แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วอาร์เมเจอร์ U กระแสไฟฟ้า I มุมแฟกเตอร์กำลัง φ และมุมกำลัง θ และอื่นๆ สามารถหากระแสอาร์เมเจอร์ของแกนตรง ส่วนประกอบแกนไขว้ Id = Isin (θ - φ) และ Iq = Icos (θ - φ) จากนั้นสามารถหา Xd และ Xq ได้จากสมการต่อไปนี้:

เมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากำลังทำงาน:

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

เมื่อมอเตอร์กำลังทำงาน:

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

พารามิเตอร์สถานะคงที่ของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจะเปลี่ยนแปลงไปตามสภาวะการทำงานของมอเตอร์ และเมื่อกระแสอาร์เมเจอร์เปลี่ยนแปลง ทั้ง Xd และ Xq จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย ดังนั้น เมื่อกำหนดพารามิเตอร์เหล่านี้ โปรดตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ระบุสภาวะการทำงานของมอเตอร์ด้วย (ปริมาณกระแสสลับและกระแสตรงของเพลา หรือกระแสสเตเตอร์ และมุมของตัวประกอบกำลังภายใน)

ปัญหาหลักในการวัดค่าพารามิเตอร์เหนี่ยวนำด้วยวิธีโหลดโดยตรงอยู่ที่การวัดมุมกำลัง θ อย่างที่ทราบกันดีว่า คือความต่างของมุมเฟสระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์ U กับแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้น เมื่อมอเตอร์ทำงานอย่างเสถียร จะสามารถหาค่าแรงดันไฟฟ้าปลายทางได้โดยตรง แต่ไม่สามารถหาค่า E0 ได้โดยตรง ดังนั้นจึงทำได้โดยวิธีทางอ้อมเท่านั้น คือรับสัญญาณคาบที่มีความถี่เท่ากับ E0 และมีค่าความต่างเฟสคงที่ เพื่อแทนที่ E0 เพื่อเปรียบเทียบเฟสกับแรงดันไฟฟ้าปลายทาง

วิธีการทางอ้อมแบบดั้งเดิมมีดังนี้:
1) ในช่องอาร์เมเจอร์ของมอเตอร์ที่ทดสอบ ระยะพิทช์ที่ฝังอยู่และขดลวดเดิมของมอเตอร์ที่มีลวดละเอียดหลายรอบเป็นขดลวดวัด เพื่อให้ได้เฟสเดียวกันกับสัญญาณการเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าของขดลวดมอเตอร์ที่ทดสอบ โดยการเปรียบเทียบมุมของแฟกเตอร์กำลังสามารถทำได้
2) ติดตั้งมอเตอร์ซิงโครนัสบนเพลาของมอเตอร์ที่ทดสอบซึ่งมีลักษณะเดียวกันกับมอเตอร์ที่ทดสอบ วิธีการวัดเฟสแรงดันไฟฟ้า [2] ซึ่งจะอธิบายด้านล่าง ยึดตามหลักการนี้ แผนภาพการเชื่อมต่อการทดลองแสดงในรูปที่ 2 TSM คือมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่ทดสอบ ASM คือมอเตอร์ซิงโครนัสชนิดเดียวกันที่จำเป็นต้องมีเพิ่มเติม PM คือมอเตอร์หลัก ซึ่งอาจเป็นมอเตอร์ซิงโครนัสหรือมอเตอร์กระแสตรง B คือเบรก และ DBO คือออสซิลโลสโคปแบบลำแสงคู่ เฟส B และ C ของ TSM และ ASM เชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคป เมื่อเชื่อมต่อ TSM เข้ากับแหล่งจ่ายไฟสามเฟส ออสซิลโลสโคปจะรับสัญญาณ VTSM และ E0ASM เนื่องจากมอเตอร์ทั้งสองตัวเหมือนกันและหมุนแบบซิงโครนัส ศักย์ไฟฟ้าย้อนกลับแบบไม่มีโหลดของ TSM ของเครื่องทดสอบและศักย์ไฟฟ้าย้อนกลับแบบไม่มีโหลดของ ASM ซึ่งทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า E0ASM จึงมีเฟสตรงกัน ดังนั้นจึงสามารถวัดมุมกำลัง θ ซึ่งก็คือความแตกต่างของเฟสระหว่าง VTSM และ E0ASM ได้

รูปที่ 2 แผนผังการเดินสายทดลองสำหรับการวัดมุมกำลังไฟฟ้า

วิธีนี้ไม่ค่อยได้ใช้กันมากนัก เนื่องมาจาก: ① มอเตอร์ซิงโครนัสขนาดเล็กหรือหม้อแปลงหมุนที่ติดตั้งบนเพลาโรเตอร์ซึ่งจำเป็นต้องวัดมอเตอร์มีปลายยื่นออกมาสองเพลา ซึ่งมักจะทำได้ยาก ② ความแม่นยำของการวัดมุมกำลังขึ้นอยู่กับปริมาณฮาร์มอนิกที่สูงของ VTSM และ E0ASM เป็นหลัก และหากปริมาณฮาร์มอนิกค่อนข้างมาก ความแม่นยำในการวัดจะลดลง
3) เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของการทดสอบมุมกำลังและความสะดวกในการใช้งาน ปัจจุบันมีการใช้เซ็นเซอร์ตำแหน่งมากขึ้นเพื่อตรวจจับสัญญาณตำแหน่งโรเตอร์ จากนั้นเปรียบเทียบเฟสกับวิธีแรงดันไฟฟ้าปลาย
หลักการพื้นฐานคือการติดตั้งแผ่นโฟโตอิเล็กทริกแบบฉายหรือแบบสะท้อนลงบนเพลาของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่วัดได้ จำนวนรูที่กระจายสม่ำเสมอบนแผ่นหรือเครื่องหมายขาวดำ และจำนวนคู่ขั้วของมอเตอร์ซิงโครนัสที่ทดสอบ เมื่อแผ่นหมุนหนึ่งรอบพร้อมกับมอเตอร์ เซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริกจะรับสัญญาณตำแหน่งโรเตอร์ p และสร้างพัลส์แรงดันต่ำ p เมื่อมอเตอร์ทำงานแบบซิงโครนัส ความถี่ของสัญญาณตำแหน่งโรเตอร์นี้จะเท่ากับความถี่ของแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วอาร์เมเจอร์ และเฟสของสัญญาณจะสะท้อนเฟสของแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้น สัญญาณพัลส์ซิงโครไนซ์จะถูกขยายโดยการขึ้นรูป การเลื่อนเฟส และแรงดันไฟฟ้าอาร์เมเจอร์ของมอเตอร์ทดสอบเพื่อเปรียบเทียบเฟสเพื่อให้ได้ความแตกต่างของเฟส เมื่อมอเตอร์ทำงานแบบไม่มีโหลด ค่าความต่างเฟสจะเท่ากับ θ1 (โดยประมาณว่า ณ เวลานี้มุมกำลัง θ = 0) เมื่อโหลดทำงาน ค่าความต่างเฟสจะเท่ากับ θ2 ดังนั้นค่าความต่างเฟส θ2 - θ1 คือค่ามุมกำลังโหลดของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่วัดได้ แผนผังวงจรแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แผนผังของการวัดมุมกำลัง

เนื่องจากแผ่นโฟโตอิเล็กทริกที่เคลือบด้วยเครื่องหมายสีดำและสีขาวอย่างสม่ำเสมอนั้นทำได้ยากกว่า และเมื่อวัดขั้วของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรพร้อมกัน แผ่นทำเครื่องหมายจะไม่สามารถอยู่ร่วมกันได้ เพื่อความง่าย สามารถทดสอบแหล่งกำเนิดแสงของเซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริกแบบสะท้อนแสงที่เปล่งออกมาจากแสงที่รวมตัวกันเป็นวงกลมบนพื้นผิวของเทปในเพลาขับมอเตอร์แม่เหล็กถาวรที่พันด้วยเทปสีดำ เคลือบด้วยเครื่องหมายสีขาว ด้วยวิธีนี้ เซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริกในทรานซิสเตอร์ไวแสงจะรับแสงสะท้อนและนำไฟฟ้าหนึ่งครั้ง ส่งผลให้เกิดสัญญาณพัลส์ไฟฟ้า หลังจากการขยายและขึ้นรูปเพื่อให้ได้สัญญาณเปรียบเทียบ E1 จากปลายขดลวดอาร์เมเจอร์ของมอเตอร์ทดสอบของแรงดันไฟฟ้าสองเฟสใดๆ โดยหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า PT ลงไปจนถึงแรงดันต่ำ ส่งไปยังตัวเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้า การก่อตัวของตัวแทนของเฟสสี่เหลี่ยมของสัญญาณพัลส์แรงดันไฟฟ้า U1 U1 โดยความถี่ p-division การเปรียบเทียบตัวเปรียบเทียบเฟสเพื่อให้ได้การเปรียบเทียบระหว่างเฟสและตัวเปรียบเทียบเฟส U1 โดยความถี่การแบ่ง p โดยตัวเปรียบเทียบเฟสเพื่อเปรียบเทียบความแตกต่างของเฟสกับสัญญาณ
ข้อบกพร่องของวิธีการวัดมุมกำลังข้างต้นคือ จำเป็นต้องหาค่ามุมกำลังจากค่าที่วัดได้สองค่า เพื่อหลีกเลี่ยงการลบค่าทั้งสองค่าและลดความแม่นยำ ในการวัดค่าความต่างเฟสของโหลด θ2 ซึ่งเป็นการกลับทิศทางของสัญญาณ U2 ค่าความต่างเฟสที่วัดได้คือ θ2' = 180 ° - θ2 โดยมุมกำลัง θ = 180 ° - (θ1 + θ2') ซึ่งแปลงค่าทั้งสองจากการลบเฟสเป็นการบวก แผนภาพปริมาณเฟสแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 หลักการของวิธีการบวกเฟสเพื่อคำนวณความแตกต่างของเฟส

อีกวิธีหนึ่งที่ได้รับการปรับปรุงไม่ใช้การแบ่งความถี่สัญญาณรูปคลื่นสี่เหลี่ยมแรงดันไฟฟ้า แต่ใช้ไมโครคอมพิวเตอร์บันทึกรูปคลื่นสัญญาณพร้อมกันตามลำดับ โดยผ่านอินเทอร์เฟซอินพุต บันทึกรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าขณะไม่มีโหลดและรูปคลื่นสัญญาณตำแหน่งโรเตอร์ U0, E0 รวมถึงรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าและรูปคลื่นสี่เหลี่ยมตำแหน่งโรเตอร์ U1, E1 จากนั้นย้ายรูปคลื่นของการบันทึกทั้งสองที่สัมพันธ์กันจนกระทั่งรูปคลื่นของสัญญาณรูปคลื่นสี่เหลี่ยมแรงดันไฟฟ้าสองสัญญาณทับซ้อนกันอย่างสมบูรณ์ เมื่อความแตกต่างของเฟสระหว่างโรเตอร์ทั้งสอง ความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณตำแหน่งโรเตอร์ทั้งสองคือมุมกำลัง หรือย้ายรูปคลื่นไปยังรูปคลื่นสัญญาณตำแหน่งโรเตอร์ทั้งสองตรงกัน จากนั้นความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณแรงดันไฟฟ้าทั้งสองคือมุมกำลัง
ควรสังเกตว่าการทำงานแบบไม่มีโหลดจริงของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรนั้น มุมกำลังไฟฟ้าไม่ได้เป็นศูนย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับมอเตอร์ขนาดเล็ก เนื่องจากการทำงานแบบไม่มีโหลดจะมีการสูญเสียพลังงานแบบไม่มีโหลด (รวมถึงการสูญเสียทองแดงของสเตเตอร์ การสูญเสียเหล็ก การสูญเสียทางกล และการสูญเสียสเตรย์) ค่อนข้างมาก หากคิดว่ามุมกำลังไฟฟ้าแบบไม่มีโหลดเป็นศูนย์ จะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนอย่างมากในการวัดมุมกำลังไฟฟ้า ซึ่งสามารถใช้เพื่อให้มอเตอร์ DC ทำงานตามสถานะของมอเตอร์ ทิศทางการบังคับเลี้ยวและการบังคับเลี้ยวของมอเตอร์ทดสอบสอดคล้องกัน เมื่อใช้ร่วมกับการบังคับเลี้ยวของมอเตอร์ DC มอเตอร์ DC สามารถทำงานในสถานะเดียวกันได้ และมอเตอร์ DC สามารถใช้เป็นมอเตอร์ทดสอบได้ ซึ่งจะทำให้มอเตอร์ DC ทำงานตามสถานะของมอเตอร์ การบังคับเลี้ยวและการบังคับเลี้ยวของมอเตอร์ทดสอบสอดคล้องกับมอเตอร์ DC เพื่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานทั้งหมดของเพลาของมอเตอร์ทดสอบ (รวมถึงการสูญเสียเหล็ก การสูญเสียทางกล การสูญเสียสเตรย์ ฯลฯ) วิธีการตัดสินคือกำลังไฟฟ้าเข้าของมอเตอร์ทดสอบจะเท่ากับการใช้ทองแดงของสเตเตอร์ นั่นคือ P1 = pCu และแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าในเฟสเดียวกัน ครั้งนี้ θ1 ที่วัดได้สอดคล้องกับมุมกำลังของศูนย์
สรุป: ข้อดีของวิธีนี้:
① วิธีการโหลดโดยตรงสามารถวัดค่าเหนี่ยวนำอิ่มตัวสถานะคงที่ภายใต้สถานะโหลดต่างๆ และไม่จำเป็นต้องมีกลยุทธ์ควบคุม ซึ่งเป็นวิธีที่เข้าใจง่ายและใช้งานง่าย
เนื่องจากการวัดทำโดยตรงภายใต้โหลด จึงสามารถคำนึงถึงเอฟเฟกต์ความอิ่มตัวและอิทธิพลของกระแสการล้างแม่เหล็กบนพารามิเตอร์เหนี่ยวนำได้
ข้อเสียของวิธีนี้:
① วิธีการโหลดโดยตรงจำเป็นต้องวัดปริมาณหลายค่าในเวลาเดียวกัน (แรงดันไฟฟ้าสามเฟส กระแสไฟฟ้าสามเฟส มุมตัวประกอบกำลัง ฯลฯ) การวัดมุมกำลังทำได้ยากกว่า และความแม่นยำของการทดสอบแต่ละปริมาณมีผลโดยตรงต่อความแม่นยำในการคำนวณพารามิเตอร์ ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการทดสอบพารามิเตอร์ต่างๆ ได้ง่าย ดังนั้น เมื่อใช้วิธีโหลดโดยตรงในการวัดพารามิเตอร์ ควรให้ความสำคัญกับการวิเคราะห์ข้อผิดพลาด และเลือกเครื่องมือทดสอบที่มีความแม่นยำสูงกว่า
② ค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้น E0 ในวิธีการวัดนี้จะถูกแทนที่โดยตรงด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์เมื่อไม่มีโหลด ซึ่งการประมาณค่านี้ยังทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนโดยธรรมชาติ เนื่องจากจุดทำงานของแม่เหล็กถาวรเปลี่ยนแปลงไปตามโหลด ซึ่งหมายความว่าที่กระแสสเตเตอร์ที่ต่างกัน ค่าการซึมผ่านและความหนาแน่นฟลักซ์ของแม่เหล็กถาวรจะแตกต่างกัน ดังนั้นแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้นที่เกิดขึ้นจึงแตกต่างกันด้วย ด้วยวิธีนี้ การแทนที่แรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้นภายใต้สภาวะโหลดด้วยแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้นเมื่อไม่มีโหลดจึงไม่ค่อยแม่นยำนัก
อ้างอิง
[1] Tang Renyuan และคณะ ทฤษฎีและการออกแบบมอเตอร์แม่เหล็กถาวรสมัยใหม่ ปักกิ่ง: สำนักพิมพ์อุตสาหกรรมเครื่องจักรกล มีนาคม 2554
[2] JF Gieras, M. Wing. เทคโนโลยีมอเตอร์แม่เหล็กถาวร การออกแบบ และการประยุกต์ใช้ ฉบับที่ 2 นิวยอร์ก: Marcel Dekker, 2002:170~171
ลิขสิทธิ์: บทความนี้เป็นการพิมพ์ซ้ำของ WeChat public number motor peek (电机极客) ลิงก์ต้นฉบับhttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A

บทความนี้ไม่สะท้อนมุมมองของบริษัทเรา หากคุณมีความคิดเห็นหรือมุมมองที่แตกต่าง โปรดแก้ไขให้เราด้วย!