Forskning på stjerneforseglingsberegning og bruk av synkrone trekkraftmaskiner med permanent magnet

Bakgrunn

Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) er mye brukt i moderne industri og dagligliv på grunn av deres fordeler med høy effektivitet, energisparing og pålitelighet, noe som gjør dem til det foretrukne kraftutstyret på en rekke felt. Permanent magnet synkron trekkmaskiner, gjennom avansert kontrollteknologi, gir ikke bare jevn løftebevegelse, men oppnår også presis posisjonering og sikkerhetsbeskyttelse av heisstolen. Med sin utmerkede ytelse har de blitt nøkkelkomponenter i mange heissystemer. Med den kontinuerlige utviklingen av heisteknologi øker imidlertid ytelseskravene for synkrone trekkmaskiner med permanent magnet, spesielt bruken av "stjerneforseglingsteknologi", som har blitt et forskningshotspot.

Forskningsspørsmål og betydning

Tradisjonell evaluering av stjerneforseglingsmoment i synkrone trekkraftmaskiner med permanent magnet er avhengig av teoretiske beregninger og utledning fra målte data, som sliter med å gjøre rede for de ultra-transiente prosessene med stjerneforsegling og ikke-lineariteten til elektromagnetiske felt, noe som resulterer i lav effektivitet og nøyaktighet. Den øyeblikkelig store strømmen under stjerneforsegling utgjør en risiko for irreversibel avmagnetisering av permanente magneter, noe som også er vanskelig å evaluere. Med utviklingen av finite element analysis (FEA) programvare har disse problemene blitt løst. For tiden er teoretiske beregninger mer brukt til å veilede design, og å kombinere dem med programvareanalyse muliggjør raskere og mer nøyaktig analyse av stjerneforseglingsmoment. Denne artikkelen tar en synkron trekkraftmaskin med permanent magnet som et eksempel for å utføre finite element-analyse av driftsforholdene med stjerneforsegling. Disse studiene bidrar ikke bare til å berike det teoretiske systemet til synkrone trekkmaskiner med permanent magnet, men gir også sterk støtte for å forbedre heissikkerhetsytelsen og optimalisere ytelsen.

Anvendelse av endelig elementanalyse i stjerneforseglingsberegninger

For å verifisere nøyaktigheten av simuleringsresultatene ble det valgt en trekkmaskin med eksisterende testdata, med en nominell hastighet på 159 rpm. Det målte stabile stjernetetningsmomentet og viklingsstrømmen ved forskjellige hastigheter er som følger. Stjernetetningsmomentet når sitt maksimum ved 12 rpm.

Figur 1: Målte data for stjerneforsegling

Deretter ble endelig elementanalyse av denne trekkmaskinen utført ved bruk av Maxwell-programvare. Først ble den geometriske modellen av trekkmaskinen etablert, og tilsvarende materialegenskaper og grensebetingelser ble satt. Deretter, ved å løse elektromagnetiske feltligninger, ble tidsdomenestrømkurvene, dreiemomentkurvene og demagnetiseringstilstandene til permanente magneter til forskjellige tider oppnådd. Konsistensen mellom simuleringsresultater og målte data ble verifisert.

Etableringen av finite element-modellen til trekkmaskinen er grunnleggende for elektromagnetisk analyse og vil ikke bli utdypet her. Det understrekes at materialinnstillingene til motoren må samsvare med faktisk bruk; med tanke på påfølgende avmagnetiseringsanalyse av permanente magneter, må ikke-lineære B-H-kurver brukes for permanente magneter. Denne artikkelen fokuserer på hvordan man implementerer stjerneforsegling og avmagnetiseringssimulering av trekkmaskinen i Maxwell. Stjerneforsegling i programvaren er realisert gjennom en ekstern krets, med den spesifikke kretskonfigurasjonen vist i figuren nedenfor. Trefase statorviklingene til trekkmaskinen er betegnet som LPhaseA/B/C i kretsen. For å simulere plutselig kortslutningsstjerneforsegling av trefaseviklingene, kobles en parallellmodul (sammensatt av en strømkilde og en strømstyrt bryter) i serie med hver faseviklingskrets. I utgangspunktet er den strømstyrte bryteren åpen, og den trefasede strømkilden leverer strøm til viklingene. På et bestemt tidspunkt lukkes den strømstyrte bryteren, kortslutter den trefasede strømkilden og kortslutter trefaseviklingene, og går inn i kortslutningsstjerneforseglingstilstanden.

Figur 2: Stjerneforseglingskretsdesign

Det målte maksimale stjernetetningsmomentet til trekkmaskinen tilsvarer en hastighet på 12 rpm. Under simulering ble hastighetene parametrisert som 10 rpm, 12 rpm og 14 rpm for å justere med den målte hastigheten. Når det gjelder simuleringens stopptid, med tanke på at viklingsstrømmer stabiliserer seg raskere ved lavere hastigheter, ble det bare satt 2–3 elektriske sykluser. Fra tidsdomenekurvene for resultater kan det bedømmes at det beregnede stjerneforseglingsmomentet og viklingsstrømmen har stabilisert seg. Simuleringen viste at steady-state stjernetetningsmomentet ved 12 rpm var størst, ved 5885,3 Nm, som var 5,6 % lavere enn den målte verdien. Den målte viklingsstrømmen var 265,8 A, og den simulerte strømmen var 251,8 A, med simuleringsverdien også 5,6 % lavere enn den målte verdien, og oppfyller kravene til designnøyaktighet.

Figur 3: Maksimalt stjernetetningsmoment og viklingsstrøm

Trekkmaskiner er sikkerhetskritisk spesialutstyr, og permanent magnet avmagnetisering er en av nøkkelfaktorene som påvirker ytelsen og påliteligheten. Irreversibel avmagnetisering som overskrider standarder er ikke tillatt. I denne artikkelen brukes Ansys Maxwell-programvaren til å simulere demagnetiseringsegenskapene til permanente magneter under omvendte magnetiske felt indusert av kortslutningsstrømmer i stjerneforseglingstilstand. Fra viklingsstrømtrenden overstiger strømtoppen 1000 A i øyeblikket av stjerneforsegling og stabiliserer seg etter 6 elektriske sykluser. Avmagnetiseringshastigheten i Maxwell-programvaren representerer forholdet mellom gjenværende magnetisme til permanente magneter etter eksponering for et avmagnetiseringsfelt og deres opprinnelige restmagnetisme; en verdi på 1 indikerer ingen avmagnetisering, og 0 indikerer fullstendig avmagnetisering. Fra avmagnetiseringskurvene og konturkartene er den permanentmagnetiske avmagnetiseringshastigheten 1, uten observert avmagnetisering, noe som bekrefter at den simulerte trekkmaskinen oppfyller pålitelighetskravene.

Figur 4: Tidsdomenekurve for viklingsstrøm under stjerneforsegling ved nominell hastighet

Figur 5: Avmagnetiseringshastighetskurve og avmagnetiseringskonturkart over permanente magneter

Utdyping og Outlook

Gjennom både simulering og måling kan stjerneforseglingsmomentet til trekkmaskinen og risikoen for permanentmagnetisk avmagnetisering kontrolleres effektivt, noe som gir sterk støtte for ytelsesoptimalisering og sikrer sikker drift og lang levetid for trekkmaskinen. Denne artikkelen utforsker ikke bare beregningen av stjerneforseglingsmoment og demagnetisering i synkrone trekkmaskiner med permanent magnet, men fremmer også sterkt forbedring av heissikkerhet og ytelsesoptimalisering. Vi ser frem til å fremme teknologisk fremgang og innovative gjennombrudd på dette feltet gjennom tverrfaglig samarbeid og utveksling. Vi oppfordrer også flere forskere og praktikere til å fokusere på dette feltet, og bidra med visdom og innsats for å forbedre ytelsen til synkrone trekkmaskiner med permanent magnet og sikre sikker drift av heiser.