قياس المحاثة المتزامنة للمحركات المغناطيسية الدائمة

أولا: الغرض والأهمية من قياس المحاثة المتزامنة
(1) الغرض من قياس معلمات المحاثة المتزامنة (أي المحاثة عبر المحور)
تُعد معاملات محاثة التيار المتردد والمستمر من أهم المعاملات في المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم. ويُعد الحصول على هذه المعاملات بدقة شرطًا أساسيًا وأساسًا لحساب خصائص المحرك، والمحاكاة الديناميكية، والتحكم في السرعة. ويمكن استخدام المحاثة المتزامنة لحساب العديد من خصائص الحالة المستقرة، مثل معامل القدرة، والكفاءة، وعزم الدوران، وتيار المحرك، والقدرة، وغيرها من المعاملات. في نظام التحكم في محركات المغناطيس الدائم باستخدام التحكم المتجهي، تُشارك معاملات المحث المتزامن بشكل مباشر في خوارزمية التحكم، وتُظهر نتائج البحث أنه في المنطقة المغناطيسية الضعيفة، يمكن أن يؤدي عدم دقة معاملات المحرك إلى انخفاض كبير في عزم الدوران والقدرة. وهذا يُظهر أهمية معاملات المحث المتزامن.
(2) المشاكل التي يجب ملاحظتها في قياس المحاثة المتزامنة
للحصول على كثافة طاقة عالية، غالبًا ما يُصمم هيكل المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم ليكون أكثر تعقيدًا، وتكون الدائرة المغناطيسية للمحرك أكثر تشبعًا، مما يؤدي إلى تغير معامل المحاثة المتزامنة للمحرك مع تشبع الدائرة المغناطيسية. بمعنى آخر، تتغير المعاملات بتغير ظروف تشغيل المحرك، ولا تعكس ظروف التشغيل المُقننة لمعلمات المحاثة المتزامنة طبيعة معاملات المحرك بدقة. لذلك، من الضروري قياس قيم المحاثة في ظروف تشغيل مختلفة.
2. طرق قياس المحاثة المتزامنة للمحرك المغناطيسي الدائم
يجمع هذا البحث طرقًا مختلفة لقياس المحاثة المتزامنة، ويُجري مقارنة وتحليلًا مُفصّلين لها. يُمكن تصنيف هذه الطرق تقريبًا إلى نوعين رئيسيين: اختبار الحمل المباشر، واختبار الثبات غير المباشر. ويُقسّم الاختبار الثباتي أيضًا إلى اختبار ثابت للتيار المتردد، واختبار ثابت للتيار المستمر. اليوم، ستشرح الحلقة الأولى من "طرق اختبار المحاثة المتزامنة" طريقة اختبار الحمل.

يقدم الأدب [1] مبدأ طريقة الحمل المباشر. يمكن عادةً تحليل محركات المغناطيس الدائم باستخدام نظرية التفاعل المزدوج لتحليل عملية الحمل الخاصة بها، وتظهر مخططات الطور لتشغيل المولد والمحرك في الشكل 1 أدناه. تكون زاوية القدرة θ للمولد موجبة عندما تتجاوز E0 U، وتكون زاوية معامل القدرة φ موجبة عندما تتجاوز I U، وتكون زاوية معامل القدرة الداخلي ψ موجبة عندما تتجاوز E0 I. تكون زاوية القدرة θ للمحرك موجبة عندما تتجاوز U E0، وتكون زاوية معامل القدرة φ موجبة عندما تتجاوز U I، وتكون زاوية معامل القدرة الداخلي ψ موجبة عندما تتجاوز I E0.

الشكل 1 مخطط طور تشغيل المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم
(أ) حالة المولد (ب) حالة المحرك

وفقًا لمخطط الطور هذا يمكن الحصول على: عند تشغيل محرك المغناطيس الدائم، يتم قياس قوة الدافعة الكهربائية للإثارة بدون حمل E0، جهد طرف المحرك U، التيار I، زاوية عامل القدرة φ وزاوية القدرة θ وما إلى ذلك، يمكن الحصول على تيار المحرك للمحور المستقيم، مكون المحور المتقاطع Id = Isin (θ - φ) و Iq = Icos (θ - φ)، ثم يمكن الحصول على Xd و Xq من المعادلة التالية:

عندما يتم تشغيل المولد:

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

عندما يعمل المحرك:

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

تتغير معلمات الحالة المستقرة للمحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم بتغير ظروف تشغيلها، وبتغير تيار المحرك، يتغير كلٌّ من Xd وXq. لذلك، عند تحديد المعلمات، يُرجى أيضًا الإشارة إلى ظروف تشغيل المحرك. (كمية تيار العمود المتردد والمستمر أو تيار الجزء الثابت وزاوية معامل القدرة الداخلي).

تكمن الصعوبة الرئيسية عند قياس المعاملات الحثية بطريقة الحمل المباشر في قياس زاوية القدرة θ. وكما هو معلوم، فهي فرق زاوية الطور بين جهد طرف المحرك U والقوة الدافعة الكهربائية المثارة. عند تشغيل المحرك بثبات، يمكن الحصول على جهد النهاية مباشرةً، ولكن لا يمكن الحصول عليه مباشرةً، لذا لا يمكن الحصول عليه إلا بطريقة غير مباشرة للحصول على إشارة دورية بنفس تردد E0 وفرق طور ثابت ليحل محل E0 لإجراء مقارنة طورية مع جهد النهاية.

الأساليب غير المباشرة التقليدية هي:
1) في فتحة المحرك للمحرك قيد الاختبار، يتم دفن الملعب والملف الأصلي للمحرك من عدة لفات من السلك الناعم كملف قياس، من أجل الحصول على نفس الطور مع لف المحرك قيد الاختبار إشارة مقارنة الجهد، من خلال مقارنة زاوية عامل القدرة يمكن الحصول عليها.
٢) ركّب محركًا متزامنًا على عمود المحرك قيد الاختبار، وهو مطابق للمحرك قيد الاختبار. تعتمد طريقة قياس طور الجهد [٢]، والتي سيتم وصفها لاحقًا، على هذا المبدأ. يظهر مخطط التوصيل التجريبي في الشكل ٢. TSM هو المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم قيد الاختبار، وASM هو محرك متزامن مماثل مطلوب إضافيًا، وPM هو المحرك الرئيسي، والذي يمكن أن يكون إما محركًا متزامنًا أو محرك تيار مستمر، وB هو المكبح، وDBO هو راسم ذبذبات ثنائي الشعاع. تتصل الطورتان B وC من TSM وASM بالراسم. عند توصيل TSM بمصدر طاقة ثلاثي الطور، يستقبل الراسم الإشارات VTSM وE0ASM. ولأن المحركين متطابقان ويدوران بشكل متزامن، فإن الجهد الخلفي بدون حمل لـ TSM في جهاز الاختبار والجهد الخلفي بدون حمل لـ ASM، الذي يعمل كمولد، E0ASM، يكونان متوافقين في الطور. لذلك، يمكن قياس زاوية القدرة θ، أي فرق الطور بين VTSM وE0ASM.

الشكل 2 مخطط الأسلاك التجريبي لقياس زاوية القدرة

هذه الطريقة ليست شائعة الاستخدام، ويرجع ذلك أساسًا إلى: ① في عمود الدوار المثبت على محرك متزامن صغير أو محول دوار مطلوب قياسه، يحتوي المحرك على طرفين ممدودين للخارج، وهو أمر يصعب القيام به غالبًا. ② تعتمد دقة قياس زاوية الطاقة إلى حد كبير على المحتوى التوافقي العالي لـ VTSM و E0ASM، وإذا كان المحتوى التوافقي كبيرًا نسبيًا، فسيتم تقليل دقة القياس.
3) لتحسين دقة اختبار زاوية القدرة وسهولة الاستخدام، أصبح هناك الآن استخدام أكبر لأجهزة استشعار الموضع للكشف عن إشارة موضع الدوار، ثم مقارنة الطور بنهج الجهد النهائي
المبدأ الأساسي هو تركيب قرص كهروضوئي مُسقط أو منعكس على عمود المحرك المتزامن ذي المغناطيس الدائم المُقاس، مع مراعاة عدد الثقوب الموزعة بالتساوي على القرص أو العلامات السوداء والبيضاء، وعدد أزواج أقطاب المحرك المتزامن قيد الاختبار. عند دوران القرص دورة واحدة مع المحرك، يستقبل المستشعر الكهروضوئي إشارات موضع الدوار p ويُولّد نبضات جهد منخفضة p. عند تشغيل المحرك بشكل متزامن، يكون تردد إشارة موضع الدوار هذه مساويًا لتردد جهد طرف المحرك، ويعكس طوره طور القوة الدافعة الكهربائية المُثيرة. تُضخّم إشارة نبضة التزامن عن طريق التشكيل، وإزاحة الطور، ومقارنة جهد محرك الاختبار للحصول على فرق الطور. عند تشغيل المحرك بدون حمل، يكون فرق الطور θ1 (تقريبًا عند هذه اللحظة تكون زاوية القدرة θ = 0). عند تشغيل الحمل، يكون فرق الطور θ2، وبالتالي يكون فرق الطور θ2 - θ1 هو قيمة زاوية قدرة الحمل المقاسة للمحرك المتزامن ذي المغناطيس الدائم. يوضح الشكل 3 الرسم التخطيطي.

الشكل 3 مخطط تخطيطي لقياس زاوية القدرة

نظرًا لصعوبة استخدام القرص الكهروضوئي المطلي بعلامة سوداء وبيضاء بشكل موحد، فإن قياس أقطاب محرك المغناطيس الدائم المتزامن في نفس الوقت لا يسمح بدمج أقطاب القرص. وللتبسيط، يمكن أيضًا اختبار عمود محرك المغناطيس الدائم الملفوف بدائرة من شريط أسود مطلي بعلامة بيضاء، حيث ينبعث ضوء المستشعر الكهروضوئي العاكس من الضوء المتجمع في هذه الدائرة على سطح الشريط. بهذه الطريقة، مع كل دورة للمحرك، يستقبل المستشعر الكهروضوئي في الترانزستور الحساس للضوء ضوءًا منعكسًا ويوصل مرة واحدة، مما ينتج عنه إشارة نبضة كهربائية، وبعد التضخيم والتشكيل، يتم الحصول على إشارة مقارنة E1. من طرف ملف محرك الاختبار لأي جهد ثنائي الطور، يتم إرسال محول الجهد PT إلى جهد منخفض، ثم إلى مقارن الجهد، لتشكيل نموذج يمثل الطور المستطيل لإشارة نبضة الجهد U1. U1 بتردد التقسيم P، تتم مقارنة مقارن الطور للحصول على مقارنة بين الطور ومقارن الطور. U1 بواسطة تردد القسمة p، بواسطة مقارن الطور لمقارنة فرق الطور مع الإشارة.
عيب طريقة قياس زاوية القدرة المذكورة أعلاه هو ضرورة حساب الفرق بين القياسين للحصول على زاوية القدرة. لتجنب طرح الكميتين وتقليل الدقة، عند قياس فرق طور الحمل θ2، وانعكاس إشارة U2، يكون فرق الطور المقاس θ2'=180 درجة - θ2، وزاوية القدرة θ=180 درجة - (θ1 + θ2')، مما يحول الكميتين من طرح الطور إلى جمعهما. يوضح الشكل 4 مخطط كمية الطور.

الشكل 4 مبدأ طريقة إضافة الطور لحساب فرق الطور

هناك طريقة محسنة أخرى لا تستخدم تقسيم تردد إشارة الموجة المستطيلة للجهد، ولكنها تستخدم حاسوبًا صغيرًا لتسجيل شكل موجة الإشارة في وقت واحد، على التوالي، من خلال واجهة الإدخال، وتسجيل أشكال موجة إشارة الجهد بدون تحميل وموضع الدوار U0، E0، بالإضافة إلى إشارات الموجة المستطيلة لجهد الحمل وموضع الدوار U1، E1، ثم تحريك أشكال الموجة للتسجيلين بالنسبة لبعضهما البعض حتى تتداخل أشكال الموجة لإشارتي الموجة المستطيلة للجهد تمامًا، عندما يكون فرق الطور بين الدوارين فرق الطور بين إشارتي موضع الدوار هو زاوية الطاقة؛ أو تحريك شكل الموجة بحيث تتطابق أشكال موجة إشارة موضع الدوارين، فإن فرق الطور بين إشارتي الجهد هو زاوية الطاقة.
تجدر الإشارة إلى أن التشغيل الفعلي بدون حمل للمحرك المتزامن ذي المغناطيس الدائم، وزاوية الطاقة ليست صفرًا، وخاصةً في المحركات الصغيرة، نظرًا لفقدان الحمل (بما في ذلك فقد نحاس الجزء الثابت، وفقد الحديد، والفقد الميكانيكي، والفقد الضال) كبير نسبيًا. إذا كان يُعتقد أن زاوية الطاقة بدون حمل تساوي الصفر، فسيؤدي ذلك إلى خطأ كبير في قياس زاوية الطاقة، والتي يمكن استخدامها لجعل محرك التيار المستمر يعمل في حالة المحرك، واتجاه التوجيه وتوجيه محرك الاختبار متسقين مع توجيه محرك التيار المستمر، ويمكن استخدام محرك التيار المستمر كمحرك اختبار. هذا يمكن أن يجعل محرك التيار المستمر يعمل في حالة المحرك، واتجاه التوجيه وتوجيه محرك الاختبار متسقين مع محرك التيار المستمر لتوفير جميع خسائر عمود محرك الاختبار (بما في ذلك فقد الحديد، والفقد الميكانيكي، والفقد الضال، إلخ). طريقة الحكم هي أن طاقة دخل محرك الاختبار تساوي استهلاك نحاس الجزء الثابت، أي أن P1 = pCu، والجهد والتيار في الطور. هذه المرة، يتوافق θ1 المقاس مع زاوية القدرة الصفرية.
ملخص: مزايا هذه الطريقة:
① يمكن لطريقة التحميل المباشر قياس محاثة التشبع في الحالة المستقرة تحت حالات تحميل مختلفة، ولا تتطلب استراتيجية تحكم، وهي بديهية وبسيطة.
نظرًا لأن القياس يتم مباشرة تحت الحمل، فمن الممكن أخذ تأثير التشبع وتأثير تيار إزالة المغناطيسية على معلمات المحاثة في الاعتبار.
عيوب هذه الطريقة:
① تتطلب طريقة التحميل المباشر قياس كميات متعددة في نفس الوقت (مثل الجهد ثلاثي الطور، والتيار ثلاثي الطور، وزاوية معامل القدرة، إلخ)، مما يجعل قياس زاوية القدرة أكثر صعوبة، كما أن دقة اختبار كل كمية تؤثر بشكل مباشر على دقة حسابات المعلمات، ومن السهل تراكم جميع أنواع الأخطاء في اختبار المعلمات. لذلك، عند استخدام طريقة التحميل المباشر لقياس المعلمات، يجب الانتباه إلى تحليل الأخطاء واختيار دقة أعلى لجهاز الاختبار.
② في طريقة القياس هذه، تُستبدل قيمة القوة الدافعة الكهربائية للإثارة E0 مباشرةً بجهد طرف المحرك عند عدم وجود حمل، وهذا التقريب يُسبب أخطاءً جوهرية. لأن نقطة تشغيل المغناطيس الدائم تتغير مع تغير الحمل، مما يعني اختلاف نفاذية المغناطيس الدائم وكثافة تدفقه عند اختلاف تيارات الجزء الثابت، وبالتالي تختلف القوة الدافعة الكهربائية الناتجة عن الإثارة. وبالتالي، فإن استبدال القوة الدافعة الكهربائية للإثارة عند عدم وجود حمل بالقوة الدافعة الكهربائية للإثارة تحت الحمل ليس دقيقًا تمامًا.
مراجع
[1] تانغ رينيوان وآخرون. نظرية وتصميم محركات المغناطيس الدائم الحديثة. بكين: مطبعة صناعة الآلات. مارس 2011
[2] جيه إف جيراس، إم. وينج. تكنولوجيا المحركات المغناطيسية الدائمة، التصميم والتطبيقات، الطبعة الثانية. نيويورك: مارسيل ديكر، 2002: 170-171
حقوق الطبع والنشر: هذه المقالة هي إعادة طباعة لحساب WeChat العام motor peek (电机极客)، الرابط الأصليhttps://mp.weixin.qq.com/s/Swb2QnApcCWgbLlt9jMp0A

هذه المقالة لا تعكس وجهة نظر شركتنا. إذا كانت لديكم آراء أو وجهات نظر مختلفة، يُرجى تصحيحها!