การวัดค่าความเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัสของมอเตอร์แม่เหล็กถาวร

I. วัตถุประสงค์และความสำคัญของการวัดความเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัส
(1) วัตถุประสงค์ของการวัดค่าพารามิเตอร์ของความเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัส (เช่น ความเหนี่ยวนำแกนไขว้)
พารามิเตอร์เหนี่ยวนำกระแสสลับและกระแสตรงเป็นสองพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดในมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร การได้รับข้อมูลที่แม่นยำเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นและเป็นรากฐานสำหรับการคำนวณคุณลักษณะของมอเตอร์ การจำลองแบบไดนามิก และการควบคุมความเร็ว เหนี่ยวนำแบบซิงโครนัสสามารถใช้ในการคำนวณคุณสมบัติสถานะคงที่มากมาย เช่น ปัจจัยกำลัง ประสิทธิภาพ แรงบิด กระแสอาร์เมเจอร์ กำลัง และพารามิเตอร์อื่นๆ ในระบบควบคุมของมอเตอร์แม่เหล็กถาวรที่ใช้การควบคุมเวกเตอร์ พารามิเตอร์ตัวเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัสมีส่วนเกี่ยวข้องโดยตรงกับอัลกอริทึมการควบคุม และผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าในบริเวณแม่เหล็กอ่อน ความไม่แม่นยำของพารามิเตอร์ของมอเตอร์อาจส่งผลให้แรงบิดและกำลังลดลงอย่างมาก ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของพารามิเตอร์ตัวเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัส
(2) ปัญหาที่ควรทราบในการวัดความเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัส
เพื่อให้ได้ความหนาแน่นของพลังงานสูง โครงสร้างของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรมักถูกออกแบบให้ซับซ้อนมากขึ้น และวงจรแม่เหล็กของมอเตอร์จะอิ่มตัวมากขึ้น ซึ่งส่งผลให้พารามิเตอร์เหนี่ยวนำแบบซิงโครนัสของมอเตอร์เปลี่ยนแปลงไปตามความอิ่มตัวของวงจรแม่เหล็ก กล่าวอีกนัยหนึ่ง พารามิเตอร์จะเปลี่ยนแปลงไปตามเงื่อนไขการทำงานของมอเตอร์ โดยที่เงื่อนไขการทำงานที่กำหนดของพารามิเตอร์เหนี่ยวนำแบบซิงโครนัสไม่สามารถสะท้อนลักษณะของพารามิเตอร์ของมอเตอร์ได้อย่างแม่นยำ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องวัดค่าเหนี่ยวนำภายใต้เงื่อนไขการทำงานที่แตกต่างกัน
2.วิธีการวัดความเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัสของมอเตอร์แม่เหล็กถาวร
บทความนี้รวบรวมวิธีการต่างๆ ในการวัดความเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัส และเปรียบเทียบและวิเคราะห์อย่างละเอียดถึงวิธีการเหล่านี้ โดยสามารถแบ่งประเภทคร่าวๆ ได้เป็น 2 ประเภทหลัก ได้แก่ การทดสอบโหลดโดยตรงและการทดสอบสถิตทางอ้อม การทดสอบสถิตยังแบ่งย่อยได้อีกเป็นการทดสอบสถิตแบบกระแสสลับและการทดสอบสถิตแบบกระแสตรง วันนี้ ตอนแรกของ "วิธีทดสอบตัวเหนี่ยวนำแบบซิงโครนัส" จะอธิบายวิธีทดสอบโหลด

วรรณกรรม [1] แนะนำหลักการของวิธีการโหลดโดยตรง โดยทั่วไปแล้วมอเตอร์แม่เหล็กถาวรสามารถวิเคราะห์ได้โดยใช้ทฤษฎีปฏิกิริยาคู่เพื่อวิเคราะห์การทำงานของโหลด และไดอะแกรมเฟสของการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์แสดงไว้ในรูปที่ 1 ด้านล่าง มุมกำลัง θ ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นค่าบวกเมื่อ E0 เกิน U มุมค่าแฟกเตอร์กำลัง φ เป็นค่าบวกเมื่อ I เกิน U และมุมค่าแฟกเตอร์กำลังภายใน ψ เป็นค่าบวกเมื่อ E0 เกิน I มุมค่าแฟกเตอร์กำลัง θ ของมอเตอร์เป็นค่าบวกเมื่อ U เกิน E0 มุมค่าแฟกเตอร์กำลัง φ เป็นค่าบวกเมื่อ U เกิน I และมุมค่าแฟกเตอร์กำลังภายใน ψ เป็นค่าบวกเมื่อ I เกิน E0

รูปที่ 1 แผนภาพเฟสการทำงานของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร
(ก) สถานะเครื่องกำเนิดไฟฟ้า (ข) สถานะมอเตอร์

ไทย ตามแผนภาพเฟสนี้สามารถรับได้: เมื่อการทำงานของโหลดมอเตอร์แม่เหล็กถาวร วัดแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้นขณะไม่มีโหลด E0 แรงดันไฟที่ขั้วอาร์เมเจอร์ 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)

เมื่อมอเตอร์ทำงาน:

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

พารามิเตอร์สถานะคงที่ของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรจะเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพการทำงานของมอเตอร์ที่เปลี่ยนแปลง และเมื่อกระแสอาร์เมเจอร์เปลี่ยนแปลง ทั้ง Xd และ Xq จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย ดังนั้น เมื่อกำหนดพารามิเตอร์ ให้แน่ใจว่าได้ระบุสภาพการทำงานของมอเตอร์ด้วย (ปริมาณกระแสสลับและกระแสตรงของเพลาหรือกระแสสเตเตอร์และมุมของตัวประกอบกำลังภายใน)

ความยากลำบากหลักในการวัดค่าพารามิเตอร์เหนี่ยวนำโดยใช้วิธีการโหลดโดยตรงอยู่ที่การวัดมุมกำลัง θ ตามที่เราทราบกันดีว่าเป็นความแตกต่างของมุมเฟสระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของมอเตอร์ U และแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้น เมื่อมอเตอร์ทำงานอย่างเสถียร สามารถรับแรงดันไฟฟ้าปลายทางได้โดยตรง แต่ไม่สามารถรับ E0 ได้โดยตรง ดังนั้นจึงสามารถรับได้โดยวิธีทางอ้อมเท่านั้นเพื่อรับสัญญาณเป็นระยะที่มีความถี่เท่ากับ E0 และความแตกต่างของเฟสคงที่เพื่อแทนที่ E0 เพื่อทำการเปรียบเทียบเฟสกับแรงดันไฟฟ้าปลายทาง

วิธีการทางอ้อมแบบดั้งเดิมมีดังนี้:
1) ในช่องอาร์เมเจอร์ของมอเตอร์ภายใต้การทดสอบสนามไฟฟ้าที่ฝังอยู่และขดลวดเดิมของมอเตอร์ที่มีลวดละเอียดหลายรอบเป็นขดลวดวัด เพื่อให้ได้เฟสเดียวกันกับสัญญาณการเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าของขดลวดมอเตอร์ภายใต้การทดสอบ โดยสามารถหาได้โดยการเปรียบเทียบมุมของตัวประกอบกำลัง
2) ติดตั้งมอเตอร์ซิงโครนัสบนเพลาของมอเตอร์ที่ทดสอบซึ่งเหมือนกันกับมอเตอร์ที่ทดสอบ วิธีการวัดเฟสแรงดันไฟฟ้า [2] ซึ่งจะอธิบายด้านล่างนั้นอิงตามหลักการนี้ แผนผังการเชื่อมต่อการทดลองแสดงอยู่ในรูปที่ 2 TSM คือมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่ทดสอบ ASM คือมอเตอร์ซิงโครนัสที่เหมือนกันซึ่งจำเป็นต้องมีเพิ่มเติม PM คือตัวขับเคลื่อนหลักซึ่งอาจเป็นมอเตอร์ซิงโครนัสหรือมอเตอร์ DC B คือเบรก และ DBO คือออสซิลโลสโคปลำแสงคู่ เฟส B และ C ของ TSM และ ASM เชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคป เมื่อ TSM เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟสามเฟส ออสซิลโลสโคปจะรับสัญญาณ VTSM และ E0ASM เนื่องจากมอเตอร์ทั้งสองตัวเหมือนกันและหมุนแบบซิงโครนัส ศักย์ย้อนกลับแบบไม่มีโหลดของ TSM ของเครื่องทดสอบและศักย์ย้อนกลับแบบไม่มีโหลดของ ASM ซึ่งทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า E0ASM จึงอยู่ในเฟสเดียวกัน ดังนั้นจึงสามารถวัดมุมกำลัง θ ซึ่งก็คือความแตกต่างของเฟสระหว่าง VTSM และ E0ASM ได้

รูปที่ 2 แผนผังการเดินสายทดลองสำหรับการวัดมุมกำลังไฟฟ้า

วิธีนี้จะไม่ค่อยได้ใช้กันมากนัก โดยหลักแล้วเป็นเพราะว่า ① ในเพลาโรเตอร์ที่ติดตั้งมอเตอร์ซิงโครนัสขนาดเล็กหรือหม้อแปลงโรตารีที่จำเป็นต้องวัด มอเตอร์มีปลายยื่นออกมาสองเพลา ซึ่งมักจะทำได้ยาก ② ความแม่นยำของการวัดมุมกำลังขึ้นอยู่กับเนื้อหาฮาร์มอนิกที่สูงของ VTSM และ E0ASM เป็นหลัก และหากเนื้อหาฮาร์มอนิกค่อนข้างมาก ความแม่นยำของการวัดจะลดลง
3) เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของการทดสอบมุมกำลังและความสะดวกในการใช้งาน ปัจจุบันมีการใช้เซ็นเซอร์ตำแหน่งมากขึ้นเพื่อตรวจจับสัญญาณตำแหน่งโรเตอร์ จากนั้นเปรียบเทียบเฟสกับแนวทางแรงดันไฟฟ้าปลาย
หลักการพื้นฐานคือการติดตั้งแผ่นโฟโตอิเล็กทริกที่ฉายหรือสะท้อนบนเพลาของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่วัดได้ จำนวนรูที่กระจายสม่ำเสมอบนแผ่นหรือเครื่องหมายขาวดำ และจำนวนคู่ขั้วของมอเตอร์ซิงโครนัสที่ทดสอบ เมื่อแผ่นหมุนหนึ่งรอบพร้อมกับมอเตอร์ เซนเซอร์โฟโตอิเล็กทริกจะรับสัญญาณตำแหน่งโรเตอร์ p และสร้างพัลส์แรงดันต่ำ p เมื่อมอเตอร์ทำงานแบบซิงโครนัส ความถี่ของสัญญาณตำแหน่งโรเตอร์นี้จะเท่ากับความถี่ของแรงดันขั้วอาร์เมเจอร์ และเฟสของสัญญาณจะสะท้อนเฟสของแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้น สัญญาณพัลส์ซิงโครไนซ์จะขยายโดยการขึ้นรูป การเลื่อนเฟส และแรงดันอาร์เมเจอร์ของมอเตอร์ทดสอบสำหรับการเปรียบเทียบเฟสเพื่อให้ได้ความแตกต่างของเฟส ตั้งค่าเมื่อมอเตอร์ทำงานแบบไม่มีโหลด เฟสต่างกันคือ θ1 (โดยประมาณว่าในขณะนี้มุมกำลัง θ = 0) เมื่อโหลดทำงาน เฟสต่างกันคือ θ2 ดังนั้น เฟสต่างกัน θ2 - θ1 จะเป็นค่ามุมกำลังโหลดของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรที่วัดได้ แผนผังแสดงไว้ในรูปที่ 3

รูปที่ 3 แผนผังของการวัดมุมกำลัง

เนื่องจากในแผ่นโฟโตอิเล็กทริกที่เคลือบด้วยเครื่องหมายสีดำและสีขาวอย่างสม่ำเสมอนั้นยากกว่า และเมื่อวัดขั้วของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวรในเวลาเดียวกัน เครื่องหมายบนแผ่นโฟโตอิเล็กทริกไม่สามารถเป็นร่วมกันได้ เพื่อความเรียบง่าย สามารถทดสอบได้ในเพลาขับมอเตอร์แม่เหล็กถาวรที่พันด้วยเทปสีดำเป็นวงกลม เคลือบด้วยเครื่องหมายสีขาว แหล่งกำเนิดแสงของเซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริกสะท้อนแสงที่ปล่อยออกมาจากแสงที่รวบรวมไว้ในวงกลมนี้บนพื้นผิวของเทป ด้วยวิธีนี้ เซ็นเซอร์โฟโตอิเล็กทริกในทรานซิสเตอร์ที่ไวต่อแสงทุกรอบของมอเตอร์จะได้รับแสงสะท้อนและการนำหนึ่งครั้ง ส่งผลให้เกิดสัญญาณพัลส์ไฟฟ้า หลังจากการขยายและการขึ้นรูปเพื่อให้ได้สัญญาณเปรียบเทียบ E1 จากปลายขดลวดอาร์เมเจอร์ของมอเตอร์ทดสอบของแรงดันไฟฟ้าสองเฟสใดๆ โดยหม้อแปลงแรงดันไฟฟ้า PT ลงสู่แรงดันไฟฟ้าต่ำ ส่งไปยังตัวเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้า การก่อตัวของตัวแทนของเฟสสี่เหลี่ยมของสัญญาณพัลส์แรงดันไฟฟ้า U1 U1 โดยความถี่การแบ่ง p ตัวเปรียบเทียบเฟสจะได้รับการเปรียบเทียบระหว่างเฟสและตัวเปรียบเทียบเฟส U1 โดยความถี่การแบ่ง p โดยตัวเปรียบเทียบเฟสเพื่อเปรียบเทียบความแตกต่างของเฟสกับสัญญาณ
ข้อบกพร่องของวิธีการวัดมุมกำลังข้างต้นคือความแตกต่างระหว่างการวัดสองครั้งจะต้องทำเพื่อให้ได้มุมกำลัง เพื่อหลีกเลี่ยงการลบปริมาณทั้งสองและลดความแม่นยำ ในการวัดความแตกต่างของเฟสโหลด θ2 การกลับทิศทางของสัญญาณ U2 ความแตกต่างของเฟสที่วัดได้คือ θ2'=180 ° - θ2 มุมกำลัง θ=180 ° - (θ1 + θ2') ซึ่งแปลงปริมาณทั้งสองจากการลบเฟสเป็นการบวก แผนภาพปริมาณเฟสแสดงอยู่ในรูปที่ 4

รูปที่ 4 หลักการของวิธีการบวกเฟสเพื่อคำนวณความแตกต่างของเฟส

อีกวิธีหนึ่งที่ได้รับการปรับปรุงไม่ใช้การแบ่งความถี่สัญญาณรูปคลื่นสี่เหลี่ยมของแรงดันไฟฟ้า แต่ใช้ไมโครคอมพิวเตอร์บันทึกรูปคลื่นสัญญาณพร้อมกันตามลำดับ ผ่านอินเทอร์เฟซอินพุต บันทึกรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าขณะไม่มีโหลดและรูปคลื่นสัญญาณตำแหน่งโรเตอร์ U0, E0 เช่นเดียวกับรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าขณะโหลดและรูปคลื่นสัญญาณรูปคลื่นสี่เหลี่ยมตำแหน่งโรเตอร์ U1, E1 จากนั้นย้ายรูปคลื่นของการบันทึกทั้งสองที่สัมพันธ์กันจนกระทั่งรูปคลื่นของสัญญาณรูปคลื่นสี่เหลี่ยมแรงดันไฟฟ้าสองสัญญาณทับซ้อนกันอย่างสมบูรณ์ เมื่อความแตกต่างของเฟสระหว่างโรเตอร์ทั้งสอง ความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณตำแหน่งโรเตอร์ทั้งสองคือมุมกำลัง หรือย้ายรูปคลื่นไปยังรูปคลื่นสัญญาณตำแหน่งโรเตอร์ทั้งสองตรงกัน จากนั้นความแตกต่างของเฟสระหว่างสัญญาณแรงดันไฟฟ้าทั้งสองคือมุมกำลัง
ควรสังเกตว่าการทำงานแบบไม่มีโหลดจริงของมอเตอร์ซิงโครนัสแม่เหล็กถาวร มุมกำลังไฟฟ้าไม่เป็นศูนย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับมอเตอร์ขนาดเล็ก เนื่องจากการทำงานแบบไม่มีโหลดของการสูญเสียแบบไม่มีโหลด (รวมถึงการสูญเสียทองแดงของสเตเตอร์ การสูญเสียเหล็ก การสูญเสียทางกล การสูญเสียหลงทาง) ค่อนข้างใหญ่ หากคุณคิดว่ามุมกำลังไฟฟ้าแบบไม่มีโหลดเป็นศูนย์ จะทำให้เกิดข้อผิดพลาดขนาดใหญ่ในการวัดมุมกำลังไฟฟ้า ซึ่งสามารถใช้เพื่อทำให้มอเตอร์ DC ทำงานในสถานะของมอเตอร์ ทิศทางของการบังคับเลี้ยวและการบังคับเลี้ยวของมอเตอร์ทดสอบสอดคล้องกัน ด้วยการบังคับเลี้ยวของมอเตอร์ DC มอเตอร์ DC สามารถทำงานในสถานะเดียวกัน และมอเตอร์ DC สามารถใช้เป็นมอเตอร์ทดสอบได้ สิ่งนี้สามารถทำให้มอเตอร์ DC ทำงานในสถานะของมอเตอร์ การบังคับเลี้ยวและการบังคับเลี้ยวของมอเตอร์ทดสอบสอดคล้องกับมอเตอร์ DC เพื่อให้การสูญเสียเพลาทั้งหมดของมอเตอร์ทดสอบ (รวมถึงการสูญเสียเหล็ก การสูญเสียทางกล การสูญเสียหลงทาง ฯลฯ) วิธีการตัดสินคือพลังงานอินพุตของมอเตอร์ทดสอบเท่ากับการใช้ทองแดงของสเตเตอร์ นั่นคือ P1 = pCu และแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าในเฟส ครั้งนี้ θ1 ที่วัดได้สอดคล้องกับมุมกำลังของศูนย์
สรุปข้อดีของวิธีนี้:
① วิธีการโหลดโดยตรงสามารถวัดค่าเหนี่ยวนำอิ่มตัวสถานะคงที่ภายใต้สถานะโหลดต่างๆ ได้ และไม่จำเป็นต้องใช้กลยุทธ์การควบคุม ซึ่งเป็นวิธีที่เข้าใจง่ายและเรียบง่าย
เนื่องจากการวัดจะทำโดยตรงภายใต้โหลด จึงสามารถคำนึงถึงเอฟเฟกต์ความอิ่มตัวและอิทธิพลของกระแสการล้างแม่เหล็กบนพารามิเตอร์ความเหนี่ยวนำได้
ข้อเสียของวิธีนี้:
① วิธีการโหลดโดยตรงจำเป็นต้องวัดปริมาณมากขึ้นในเวลาเดียวกัน (แรงดันไฟฟ้าสามเฟส กระแสไฟฟ้าสามเฟส มุมของค่ากำลัง ฯลฯ) การวัดมุมกำลังนั้นยากกว่า และความแม่นยำของการทดสอบแต่ละปริมาณมีผลโดยตรงต่อความแม่นยำของการคำนวณพารามิเตอร์ และข้อผิดพลาดทุกประเภทในการทดสอบพารามิเตอร์นั้นสะสมได้ง่าย ดังนั้น เมื่อใช้วิธีการโหลดโดยตรงในการวัดพารามิเตอร์ ควรใส่ใจกับการวิเคราะห์ข้อผิดพลาด และเลือกเครื่องมือทดสอบที่มีความแม่นยำสูงกว่า
② ค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้น E0 ในวิธีการวัดนี้จะถูกแทนที่โดยตรงด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วมอเตอร์เมื่อไม่มีโหลด และการประมาณนี้ยังทำให้เกิดข้อผิดพลาดโดยธรรมชาติ เนื่องจากจุดทำงานของแม่เหล็กถาวรจะเปลี่ยนแปลงไปตามโหลด ซึ่งหมายความว่าที่กระแสสเตเตอร์ที่ต่างกัน ความสามารถในการซึมผ่านและความหนาแน่นของฟลักซ์ของแม่เหล็กถาวรจะแตกต่างกัน ดังนั้นแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้นที่เกิดขึ้นจึงแตกต่างกันด้วย ด้วยวิธีนี้ การแทนที่แรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้นภายใต้เงื่อนไขโหลดด้วยแรงเคลื่อนไฟฟ้ากระตุ้นเมื่อไม่มีโหลดจึงไม่แม่นยำมากนัก
อ้างอิง
[1] Tang Renyuan et al. ทฤษฎีและการออกแบบมอเตอร์แม่เหล็กถาวรสมัยใหม่ ปักกิ่ง: Machinery Industry Press มีนาคม 2011
[2] JF Gieras, M. Wing. เทคโนโลยีมอเตอร์แม่เหล็กถาวร การออกแบบและการใช้งาน ฉบับที่ 2 นิวยอร์ก: Marcel Dekker, 2002:170~171
ลิขสิทธิ์: บทความนี้เป็นการพิมพ์ซ้ำของ WeChat public number motor peek(电机极客) ลิงก์ต้นฉบับภาษาไทย: https://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A

บทความนี้ไม่ถือเป็นความคิดเห็นของบริษัทเรา หากคุณมีความคิดเห็นหรือมุมมองที่แตกต่าง โปรดแจ้งให้เราทราบเพื่อแก้ไข!