I. Objectif et importance de la mesure de l'inductance synchrone
(1) Objectif de la mesure des paramètres de l'inductance synchrone (c'est-à-dire l'inductance transversale)
Les paramètres d'inductance CA et CC sont les deux paramètres les plus importants d'un moteur synchrone à aimants permanents. Leur acquisition précise est essentielle au calcul des caractéristiques du moteur, à la simulation dynamique et à la régulation de vitesse. L'inductance synchrone permet de calculer de nombreuses propriétés en régime permanent, telles que le facteur de puissance, le rendement, le couple, le courant d'induit, la puissance et d'autres paramètres. Dans le système de commande d'un moteur à aimants permanents utilisant la commande vectorielle, les paramètres de l'inductance synchrone interviennent directement dans l'algorithme de commande. Les résultats de recherche montrent que, dans la zone magnétique faible, l'imprécision des paramètres du moteur peut entraîner une réduction significative du couple et de la puissance. Ceci démontre l'importance des paramètres de l'inductance synchrone.
(2) Problèmes à noter lors de la mesure de l'inductance synchrone
Afin d'obtenir une densité de puissance élevée, la structure des moteurs synchrones à aimants permanents est souvent plus complexe et le circuit magnétique est plus saturé. Par conséquent, les paramètres d'inductance synchrone varient avec la saturation du circuit magnétique. Autrement dit, ces paramètres varient en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, et les conditions nominales de fonctionnement ne permettent pas de refléter précisément les paramètres du moteur. Il est donc nécessaire de mesurer les valeurs d'inductance dans différentes conditions de fonctionnement.
2. Méthodes de mesure de l'inductance synchrone du moteur à aimant permanent
Cet article présente différentes méthodes de mesure de l'inductance synchrone et les compare et les analyse en détail. Ces méthodes peuvent être classées en deux grandes catégories : les tests de charge directe et les tests statiques indirects. Les tests statiques se subdivisent en tests statiques CA et CC. Aujourd'hui, le premier volet de notre article « Méthodes de test des inductances synchrones » explique la méthode de test de charge.
Français La littérature [1] introduit le principe de la méthode de charge directe. Les moteurs à aimants permanents peuvent généralement être analysés en utilisant la théorie de la double réaction pour analyser leur fonctionnement en charge, et les diagrammes de phase du fonctionnement du générateur et du moteur sont présentés dans la figure 1 ci-dessous. L'angle de puissance θ du générateur est positif lorsque E0 est supérieur à U, l'angle du facteur de puissance φ est positif lorsque I est supérieur à U, et l'angle du facteur de puissance interne ψ est positif lorsque E0 est supérieur à I. L'angle de puissance θ du moteur est positif lorsque U est supérieur à E0, l'angle du facteur de puissance φ est positif lorsque U est supérieur à I, et l'angle du facteur de puissance interne ψ est positif lorsque I est supérieur à E0.
Fig. 1 Diagramme de phase du fonctionnement d'un moteur synchrone à aimant permanent
(a)État du générateur (b)État du moteur
Selon ce diagramme de phase, on peut obtenir : lorsque le moteur à aimant permanent fonctionne en charge, la force électromotrice d'excitation à vide mesurée E0, la tension aux bornes de l'induit U, le courant I, l'angle du facteur de puissance φ et l'angle de puissance θ, etc., peuvent être obtenus le courant d'induit de l'axe droit, la composante de l'axe transversal Id = Isin (θ - φ) et Iq = Icos (θ - φ), alors Xd et Xq peuvent être obtenus à partir de l'équation suivante :
Lorsque le générateur fonctionne :
Xd=[E0-Ucosθ-IR1cos(θ-φ)]/Id (1)
Xq=[Usinθ+IR1sin(θ-φ)]/Iq (2)
Lorsque le moteur tourne :
Xd=[E0-Ucosθ+IR1cos(θ-φ)]/Id (3)
Xq=[Usinθ-IR1sin(θ-φ)]/Iq (4)
Les paramètres en régime permanent des moteurs synchrones à aimants permanents varient en fonction des conditions de fonctionnement du moteur, et lorsque le courant d'induit varie, Xd et Xq changent tous deux. Par conséquent, lors de la détermination des paramètres, veillez à indiquer également les conditions de fonctionnement du moteur (intensité du courant alternatif et continu à l'arbre ou du courant statorique, et angle du facteur de puissance interne).
La principale difficulté lors de la mesure des paramètres inductifs par la méthode de charge directe réside dans la mesure de l'angle de puissance θ. Il s'agit du déphasage entre la tension aux bornes du moteur U et la force électromotrice d'excitation. Lorsque le moteur fonctionne de manière stable, la tension de fin de course peut être obtenue directement, mais E0 ne peut l'être directement. Elle ne peut donc être obtenue que par une méthode indirecte, permettant d'obtenir un signal périodique de même fréquence que E0 et un déphasage fixe pour remplacer E0, afin de comparer la phase avec la tension de fin de course.
Les méthodes indirectes traditionnelles sont :
1) dans la fente d'armature du moteur sous test, le pas enterré et la bobine d'origine du moteur de plusieurs tours de fil fin comme bobine de mesure, afin d'obtenir la même phase avec l'enroulement du moteur sous test, le signal de comparaison de tension, par la comparaison de l'angle du facteur de puissance peut être obtenu.
2) Installer un moteur synchrone identique à celui du moteur testé sur l'arbre. La méthode de mesure de phase de tension [2], décrite ci-dessous, repose sur ce principe. Le schéma de connexion expérimental est illustré à la figure 2. Le TSM est le moteur synchrone à aimant permanent testé, l'ASM est un moteur synchrone identique (requis en plus), le PM est le moteur principal, qui peut être un moteur synchrone ou un moteur à courant continu, B est le frein et le DBO est un oscilloscope à double faisceau. Les phases B et C du TSM et de l'ASM sont connectées à l'oscilloscope. Lorsque le TSM est connecté à une alimentation triphasée, l'oscilloscope reçoit les signaux VTSM et E0ASM. Comme les deux moteurs sont identiques et tournent de manière synchrone, le potentiel arrière à vide du TSM du testeur et le potentiel arrière à vide de l'ASM, qui fait office de générateur, E0ASM, sont en phase. Par conséquent, l'angle de puissance θ, c'est-à-dire la différence de phase entre VTSM et E0ASM, peut être mesuré.
Fig. 2 Schéma de câblage expérimental pour la mesure de l'angle de puissance
Cette méthode n'est pas très couramment utilisée, principalement parce que : 1. Dans le petit moteur synchrone monté sur l'arbre du rotor ou le transformateur rotatif devant être mesuré, le moteur a deux extrémités d'arbre tendues, ce qui est souvent difficile à faire. 2. La précision de la mesure de l'angle de puissance dépend en grande partie de la teneur en harmoniques élevée du VTSM et de l'E0ASM, et si la teneur en harmoniques est relativement importante, la précision de la mesure sera réduite.
3) Pour améliorer la précision du test d'angle de puissance et la facilité d'utilisation, on utilise désormais davantage de capteurs de position pour détecter le signal de position du rotor, puis on compare la phase avec l'approche de tension finale.
Le principe de base consiste à installer un disque photoélectrique projeté ou réfléchi sur l'arbre du moteur synchrone à aimants permanents testé. Le nombre de trous uniformément répartis sur le disque ou les repères noirs et blancs ainsi que le nombre de paires de pôles du moteur synchrone testé sont mesurés. Lorsque le disque effectue un tour avec le moteur, le capteur photoélectrique reçoit p signaux de position du rotor et génère p impulsions basse tension. Lorsque le moteur fonctionne de manière synchrone, la fréquence de ce signal est égale à la fréquence de la tension aux bornes de l'induit et sa phase reflète celle de la force électromotrice d'excitation. Le signal d'impulsion de synchronisation est amplifié par mise en forme, déphasé et comparé à la tension d'induit du moteur testé afin d'obtenir le déphasage. Lorsque le moteur fonctionne à vide, le déphasage est de θ1 (l'angle de puissance est alors approximativement égal à 0). Lorsque la charge est en fonctionnement, le déphasage est de θ2. La différence de phase θ2 - θ1 correspond alors à la valeur mesurée de l'angle de puissance de charge du moteur synchrone à aimants permanents. Le schéma est présenté dans la figure 3.
Fig. 3 Schéma de principe de la mesure de l'angle de puissance
Comme le disque photoélectrique uniformément recouvert de marques noires et blanches est plus difficile à mesurer, les pôles d'un moteur synchrone à aimants permanents mesurés simultanément ne peuvent pas être communs. Par souci de simplicité, il est également possible de tester l'arbre d'entraînement d'un moteur à aimants permanents entouré d'un ruban adhésif noir, recouvert d'une marque blanche. La source lumineuse du capteur photoélectrique réfléchissant émet la lumière accumulée dans ce cercle à la surface du ruban. Ainsi, à chaque tour du moteur, le capteur photoélectrique du transistor photosensible reçoit une lumière réfléchie et conduit une fois, produisant un signal d'impulsion électrique. Après amplification et mise en forme, un signal de comparaison E1 est obtenu. Une tension biphasée provenant de l'extrémité de l'enroulement d'induit du moteur est abaissée à une basse tension par le transformateur de tension PT, puis envoyée au comparateur de tension. Un signal d'impulsion de tension U1, représentatif de la phase rectangulaire, est généré. U1 est comparé à la fréquence de division p, ce qui permet d'obtenir une comparaison entre les phases. U1 par la fréquence de division p, par le comparateur de phase pour comparer sa différence de phase avec le signal.
L'inconvénient de la méthode de mesure de l'angle de puissance décrite ci-dessus est que la différence entre les deux mesures doit être calculée pour obtenir l'angle de puissance. Afin d'éviter la soustraction des deux quantités et de réduire la précision, lors de la mesure du déphasage de charge θ2, l'inversion du signal U2 donne le déphasage θ2' = 180 ° - θ2, l'angle de puissance θ = 180 ° - (θ1 + θ2'), ce qui convertit les deux quantités de la soustraction de phase en addition. Le diagramme de déphasage est présenté à la figure 4.
Fig. 4 Principe de la méthode d'addition de phase pour le calcul de la différence de phase
Une autre méthode améliorée n'utilise pas la division de fréquence du signal de forme d'onde rectangulaire de tension, mais utilise un micro-ordinateur pour enregistrer simultanément la forme d'onde du signal, respectivement, via l'interface d'entrée, enregistrer les formes d'onde du signal de tension à vide et de position du rotor U0, E0, ainsi que la tension de charge et les signaux de forme d'onde rectangulaire de position du rotor U1, E1, puis déplacer les formes d'onde des deux enregistrements l'une par rapport à l'autre jusqu'à ce que les formes d'onde des deux signaux de forme d'onde rectangulaire de tension se chevauchent complètement, lorsque la différence de phase entre les deux rotors La différence de phase entre les deux signaux de position du rotor est l'angle de puissance ; ou déplacer la forme d'onde pour que les deux formes d'onde du signal de position du rotor coïncident, alors la différence de phase entre les deux signaux de tension est l'angle de puissance.
Il convient de souligner que, lors du fonctionnement à vide d'un moteur synchrone à aimants permanents, l'angle de puissance n'est pas nul, en particulier pour les petits moteurs. En raison des pertes à vide (pertes de cuivre statoriques, pertes fer, pertes mécaniques et pertes parasites), le fonctionnement à vide est relativement important. Si l'on considère que l'angle de puissance à vide est nul, une erreur importante de mesure de l'angle de puissance peut être générée. Ceci permet de garantir la cohérence entre le fonctionnement du moteur à courant continu, la direction et la direction du moteur d'essai. Ce fonctionnement permet de garantir la cohérence entre le fonctionnement du moteur à courant continu, la direction et la direction du moteur d'essai, et de compenser toutes les pertes à l'arbre du moteur d'essai (pertes fer, pertes mécaniques, pertes parasites, etc.). La méthode de jugement est la suivante : la puissance d'entrée du moteur d'essai est égale à la consommation de cuivre statorique, soit P1 = pCu, et la tension et le courant sont en phase. Cette fois, le θ1 mesuré correspond à l'angle de puissance nul.
Résumé : les avantages de cette méthode :
1 La méthode de charge directe peut mesurer l'inductance de saturation à l'état stationnaire sous divers états de charge et ne nécessite pas de stratégie de contrôle, ce qui est intuitif et simple.
Étant donné que la mesure est effectuée directement sous charge, l'effet de saturation et l'influence du courant de démagnétisation sur les paramètres d'inductance peuvent être pris en compte.
Inconvénients de cette méthode :
1. La méthode de charge directe nécessite de mesurer simultanément plusieurs grandeurs (tension triphasée, courant triphasé, angle du facteur de puissance, etc.). La mesure de l'angle de puissance est plus complexe, et la précision du test de chaque grandeur a un impact direct sur la précision du calcul des paramètres. De plus, les erreurs de test sont susceptibles de s'accumuler. Par conséquent, lors de la mesure des paramètres par charge directe, il convient de prêter attention à l'analyse des erreurs et de sélectionner un instrument de test d'une précision supérieure.
2. Dans cette méthode de mesure, la valeur de la force électromotrice d'excitation E0 est directement remplacée par la tension aux bornes du moteur à vide, ce qui entraîne des erreurs inhérentes. En effet, le point de fonctionnement de l'aimant permanent varie avec la charge, ce qui signifie que, pour différents courants statoriques, la perméabilité et la densité de flux de l'aimant permanent sont différentes, ce qui entraîne une différence de la force électromotrice d'excitation résultante. De ce fait, il n'est pas très précis de remplacer la force électromotrice d'excitation en charge par la force électromotrice à vide.
Références
[1] Tang Renyuan et al. Théorie et conception des moteurs à aimants permanents modernes. Pékin : Machinery Industry Press. Mars 2011.
[2] J.F. Gieras, M. Wing. Technologie, conception et applications des moteurs à aimants permanents, 2e éd., New York : Marcel Dekker, 2002 : 170-171.
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Date de publication : 18 juillet 2024