تست موتور القایی و بررسی عملکرد با کنترل سرعت و آزمایش روتور

مقدمه

ویژگی های الکترومکانیکی ماشین القایی نقش مهمی در تحلیل عملکرد آن ایفا میکنند و معمولاً با مشخصه های گشتاور و سرعت یا رابطه گشتاور با جریان نشان داده میشوند. این مشخصه ها برای طراحان و مهندسان اهمیت زیادی دارند، زیرا رفتار واقعی ماشین را در شرایط کاری مختلف روشن میسازند. تست موتور القایی یکی از روش های اصلی برای دستیابی به این اطلاعات است و شامل آزمون هایی نظیر آزمایش روتور قفل شده و تست های بی باری میشود.

این آزمایش ها امکان ارزیابی دقیق پارامترهای مدار معادل موتور را فراهم میکنند و از طریق آن میتوان ویژگی های کلیدی همچون گشتاور راه اندازی و تغییرات سرعت موتور تحت بارهای گوناگون را تعیین کرد. در نتیجه، مقایسه میان روش های تحلیلی و داده های تجربی حاصل از تست موتور القایی نشان میدهد که اطلاعات آزمایشگاهی از دقت و قابلیت اعتماد بیشتری برخوردار هستند و مبنای مناسبی برای تحلیل ماشین القایی فراهم میکنند.

با توسعه سیستم های کنترل سرعت موتور و ابزارهای جمع آوری داده های پیشرفته، امکان اعمال پروفیل‌های سرعت دقیق و ثبت پاسخ‌های لحظه‌ای ماشین فراهم شده است. این روش نه تنها شرایط واقعی راه‌اندازی و بارگذاری موتور را بازتولید میکند، بلکه اجازه میدهد ویژگی های الکترومکانیکی آن در کل محدوده کاری با دقت بالا بررسی شوند. بدین ترتیب، محدودیت های ناشی از مدل های تحلیلی یا مدار معادل کاهش یافته و درک بهتری از رفتار ماشین القایی حاصل میشود. مقاله حاضر به معرفی یک دستگاه تست نوین برای انجام آزمون های متنوع موتوهای القایی می پردازد و نشان میدهد که چگونه میتوان در مدت زمان کوتاه، مشخصات کامل الکترومکانیکی موتور را استخراج و برای ارزیابی های صنعتی و تحقیقاتی به کار گرفت.

شرح تجهیزات آزمایش

دستگاه آزمایش موتور القایی پیشنهادی شامل چند بخش مکانیکی و الکتریکی است. در این دستگاه، ماشین القایی تحت تست (MUT) و موتور محرک (DM) از طریق یک مبدل گشتاور به هم متصل میشوند. شفت ها و کوپلینگ ها باید توان تحمل تنش های مکانیکی در طول تست موتور القایی را داشته باشند. سیگنال گشتاور اندازه گیری شده هم برای ثبت داده ها و هم به عنوان ورودی در کنترل سرعت موتور DM استفاده میشود. در این سیستم، DM یک موتور سنکرون رلوکتانس با توان ۲.۲ کیلووات، گشتاور ۱۴ نیوتن متر و سرعت ۱۵۰۰ دور در دقیقه است که توسط اینورتر PWM با قابلیت ترمز تغذیه شده و از طریق کنترل سرعت موتور با واحد dSPACE DS1104 هدایت میشود.

سیستم جمع آوری داده HBM GEN3i هسته دستگاه را تشکیل میدهد و قادر است ۱۲ کانال عایق شده را به صورت همزمان با نرخ نمونه برداری ۲ MS/s ثبت کند و اطلاعات گشتاور و سرعت، جریان و ولتاژ فازهای MUT را بدون از دست رفتن داده های گذرا ذخیره نماید. این امکان ثبت دقیق داده ها، تحلیل کامل تست موتور القایی و ارزیابی مشخصه های گشتاور و سرعت و عملکرد موتور تحت شرایط مختلف ولتاژ و بار را فراهم می آورد. سیستم جمع آوری داده همچنین قابلیت انجام محاسبات ریاضی و فیلترینگ را دارد تا تحلیل راه اندازی موتور و ویژگی های الکترومکانیکی در طول تست به صورت دقیق انجام شود.

کنترل سرعت موتور محرک

موتور محرک (DM) در دستگاه آزمایش موتور القایی با کنترل سرعت هدایت میشود. طرح کنترل آن بر اساس کنترل برداری در قاب روتور سنکرون (d,q) پیاده سازی شده است. سرعت مرجع توسط پروفیل سرعت مشخص اعمال میشود و بازخورد سرعت با استفاده از انکودر ۵۱۲ پالس بر دور اندازه گیری میگردد. کنترل کننده سرعت از نوع تناسبی – انتگرالی (PI) است. خروجی کنترل کننده همراه با گشتاور اندازه گیری شده به صورت پیش خور به یک گشتاور مرجع Tref تبدیل میشود.

گشتاور مرجع وارد جدول جستجوی دوبعدی (LUT) میشود که جریان مرجع محور d و جریان مرجع محور q را برای کنترل جریان داخلی تعیین میکند. این LUT بر اساس شناسایی مدل مغناطیسی DM و عملکرد حداکثر گشتاور بر آمپر (MTPA) محاسبه شده است. جریان‌های فاز DM و موقعیت روتور برای کنترل جریان اندازه گیری میشوند. ولتاژ لینک DC اینورتر برای تعدیل چرخه های کاری اینورتر در نظر گرفته میشود.

این سیستم کنترل سرعت موتور و استفاده از گشتاور پیش‌خور باعث میشود عملکرد دینامیکی حلقه سرعت بسیار بالا باشد و تثبیت سرعت در طول آزمایش موتور القایی بدون نوسان امکان پذیر گردد. این دقت و پایداری برای تعیین مشخصه های گشتاور و سرعت و ارزیابی دقیق عملکرد ماشین القایی تحت شرایط مختلف آزمایش ضروری است.

تست موتور القایی سه فاز

عملکرد دستگاه آزمایش با یک موتور القایی سه فاز کوچک بررسی شده است. پارامترهای نامی این موتور شامل توان، ولتاژ، جریان، تعداد قطب ها، سرعت و گشتاور در جدول ۱ گزارش شده اند. آزمایش های مختلف بر روی این موتور به منظور ارزیابی دقیق مشخصه های الکترومکانیکی و ثبت همزمان داده های الکتریکی و مکانیکی انجام گرفته است. این داده ها امکان تعیین واقعی مشخصه های گشتاور و سرعت و همچنین گشتاور و جریان موتور تحت شرایط مختلف عملیاتی را فراهم میکنند.

الف. اندازه گیری مشخصه های گشتاور شبه استاتیکی

در تست موتور القایی، یک شیب سرعت مرجع به کنترل سرعت موتور اعمال میشود و ماشین القایی با ولتاژ نامی تغذیه میشود. برای حفظ حالت شبه استاتیک، شتاب شیب کوچک انتخاب میشود تا تغییرات دینامیکی محدود باشند، اما زمان آزمایش طولانی میگردد. زمان ramp باید محدود شود تا افزایش دمای موتور کنترل شود و داده ها دچار خطا نشوند. این روش تحلیل دقیق گشتاور و سرعت را ممکن میکند و با کنترل سرعت موتور کاملاً هم راستا است.

برای توازن میان شرایط شبه استاتیک و محدودیت حرارتی، پروفیل سرعت دو مرحله ای به کار میرود. از حالت سکون تا نزدیکی گشتاور بیشینه، شیب سریع انتخاب میشود تا سرعت موتور سریعتر افزایش یابد و سپس برای رسیدن به سرعت سنکرون، شیب کندتر تنظیم میشود تا اندازه گیری پایدارتر ثبت گردد. جلوگیری از نوسان سرعت تنها با دینامیک بالای کنترل سرعت موتور ممکن است و این الزام کیفیت منحنی های گشتاور و سرعت را بهبود میدهد و تحلیل عملکرد موتور را دقیق تر میکند.

در لحظه t0 تغذیه اعمال میشود و موتور محرک در بازه Δt1 شفت را در صفر نگه میدارد. این توقف کوتاه امکان سنجش گشتاور واقعی راه اندازی پس از پایان گذراها را فراهم میکند. روش حاضر با آزمایش روتور مکانیکی متفاوت است و اندازه گیری تمیز و تکرارپذیر ارائه میدهد. داده‌های نامی ماشین القایی شامل توان ۱۵۰۰ وات، ولتاژ ۴۰۰ ولت، جریان ۳٫۸ آمپر، فرکانس ۵۰ هرتز، چهار قطب، سرعت ۱۴۰۵ دور بر دقیقه، گشتاور نامی ۱۰٫۲، گشتاور راه اندازی ۱۹٫۸ و گشتاور بیشینه ۲۶٫۴ نیوتن متر است.

سه توالی راه اندازی با ولتاژهای مختلف و دمای محیط انجام شد. مقایسه منحنی های گشتاور و سرعت و همچنین گشتاور و جریان نشان میدهد که رابطه گشتاور با ولتاژ تقریباً مربعی است و با مدل مدار معادل سازگار بوده و اعتبار تست موتور القایی را به خوبی تأیید میکند.

ب. تست روتور قفل شده

تست روتور قفل شده یکی از آزمایش های استاندارد برای تعیین پارامترهای مدار معادل موتور القایی است. با استفاده از دستگاه آزمایش پیشنهادی، این تست به سادگی با تنظیم سرعت موتور محرک برابر صفر انجام میشود. از آنجا که موتور تحت آزمایش به گشتاورسنج متصل است، امکان اندازه گیری گشتاور راه اندازی در ولتاژ کاهش یافته (ولتاژ روتور قفل شده) نیز فراهم میشود و داده های دقیق برای تحلیل مدار معادل موتور در دسترس مهندسان قرار میگیرد.

ج. آزمون بی باری در سرعت سنکرون

این آزمایش امکان تعیین جریان مغناطیسی و تلفات آهن موتور القایی را با دقت بالا فراهم میکند. تلفات مکانیکی و هوا توسط موتور محرک جبران میشوند. در این تست، سرعت مکانیکی موتور تحت آزمایش برابر با سرعت سنکرون اعمال میشود. در این شرایط، لغزش موتور عملاً صفر خواهد بود. برای دستیابی به لغزش صفر واقعی، فرکانس تغذیه موتور محرک باید با فرکانس موتور تحت آزمایش هماهنگ باشد. این هماهنگی از طریق اتصال خروجی درایو به فرکانس اصلی با استفاده از PLL امکان پذیر است. هر روش دیگری که شرایط ایزوفرکانس را تضمین نکند، نباید استفاده شود. لغزش غیرصفر باعث افزایش تلفات روتور و ارزیابی نادرست تلفات آهن خواهد شد.

د. آزمون کارایی

تست کارایی یا راندمان، یک آزمایش طولانی مدت است که برای تعیین راندمان موتور القایی به کار میرود. در این تست، موتور محرک نقش ترمز را ایفا کرده و گشتاور نامی را به موتور تحت آزمایش اعمال میکند. با استفاده از درایو احیا کننده میز تست، توان شفت میتواند به شبکه بازگردانده شود و تنها تأمین تلفات کل سیستم الزامی است.

پس از اتمام تست های حرارتی، درایو میتواند برای اجرای تست بار متغیر برنامه ریزی شود و پروفیل گشتاور بار مطابق با استانداردهای بین المللی اعمال گردد. تست بار متغیر برای تخمین تلفات بار سرگردان موتور ضروری است. در پایان آزمایش دمای بار نامی، تست شتاب میتواند سریعاً تکرار شود تا تأثیر دما بر مشخصه های الکترومکانیکی موتور نسبت به شرایط سرد ارزیابی شود. برای موتور القایی سه فاز مورد بررسی، تغییر گشتاور با دما در دمای سیم پیچ استاتور حدود 25°C و 105°C (اندازه گیری شده در پایان تست) ثبت شده است.

نتایج نشان میدهند که موتور در شرایط سرد و گرم، گشتاور راه اندازی بالاتر از مقدار اعلام شده توسط سازنده ارائه میدهد و گشتاور بیرون کشی طراحی شده در شرایط گرم تأیید میشود. همچنین، نقطه کاری موتور در طول تست دمای بار نامی بر روی مشخصه گشتاورو سرعت اندازه گیری شده در شرایط گرم منطبق است، که توانایی دستگاه آزمایش پیشنهادی در ارزیابی مشخصه های شبه استاتیک موتور را تأیید میکند.

ه. آزمایش برای ارزیابی ثابت زمانی روتور

ثابت زمانی روتور یکی از پارامترهای کلیدی برای تخمین شار روتور در کنترل برداری موتور القایی با عملکرد بالا است. این آزمایش میتواند تحت همان شرایط عملیاتی آزمایش بی باری در سرعت سنکرون انجام شود. موتور محرک با کنترل سرعت، لغزش صفر را به موتور تحت آزمایش اعمال میکند. در حالی که موتور تحت آزمایش در حالت سنکرون کار میکند و با ولتاژ نامی تغذیه میشود، سوئیچ اصلی خاموش میشود و سیستم جمع آوری داده ها برای ثبت ولتاژ در ترمینال موتور مورد استفاده قرار میگیرد.

هنگامی که سوئیچ اصلی روشن باشد، ولتاژ اندازه گیری شده برابر با ولتاژ تغذیه است؛ اما هنگام خاموش بودن سوئیچ، ولتاژ برابر با نیروی محرکه الکتریکی (EMF) استاتور تولید شده توسط شار روتور خواهد بود. دامنه EMF با یک سیستم مرتبه اول تعریف شده توسط ثابت زمانی روتور کاهش می یابد. تحلیل شکل موج های EMF استاتور امکان ارزیابی دقیق ثابت زمانی روتور را فراهم میکند، زیرا این روش تحت شرایط الکترومغناطیسی نزدیک به شرایط عملیاتی واقعی انجام میشود.

با استفاده از جذر مجموع مربعات مولفه های استاتور در قاب ثابت (آلفا و بتا)، میتوان میرایی ولتاژ استاتور را محاسبه کرد. نتایج نشان میدهد که برای موتور مورد آزمایش، ثابت زمانی روتور برابر با 114 میلی ثانیه برآورد شده است.

و. آزمون استاندارد بدون بار

تست کلاسیک بدون بار یکی از آزمون های استاندارد برای تعیین پارامترهای مدار معادل موتور القایی است. برای انجام این تست، استفاده از دستگاه آزمایش پیشنهادی ضروری نیست، زیرا موتور باید بدون اتصال مکانیکی به شفت یا گشتاورسنج آزادانه بچرخد.

برای اجرای این آزمایش، موتور تحت آزمایش به صورت مکانیکی از گشتاورسنج و شفت موتور محرک جدا میشود. سیستم جمع آوری داده ها همچنان فعال است تا زمان بندی اندازه گیری ها با لحظه اعمال ولتاژ تغذیه موتور همگام شود.

تست موتور القایی تک فاز

دستگاه آزمایش برای اندازه گیری مشخصه های الکترومکانیکی موتورهای القایی تک فاز استفاده شد. ماشین های آزمایش شده شامل یک موتور تک فاز با خازن دائمی جداشونده بودند و داده های پلاک ثبت شد.

شیب سرعت از صفر تا ۱۵۰۰ دور در دقیقه به مدت ده ثانیه اعمال شد تا رفتار دینامیکی موتور ثبت گردد. ویژگی های الکتریکی و مکانیکی موتور در طول شیب سرعت اندازه گیری شدند و مشخصه های گشتاور در برابر سرعت و جریان تحلیل شدند.

در طول راه اندازی موتور، مقدار خازن متصل به سیم پیچ ثانویه به طور خودکار از ۴۹۰ میکروفاراد به ۳۰ میکروفاراد تغییر کرد. این تغییر ظرفیت باعث تغییر شکل مشخصه های گشتاور شد.

گذار گشتاور ناشی از تغییر خازن راه اندازی به خازن در حال کار رخ داد و معمولاً در سرعتی نزدیک به گشتاور شکست مربوط به خازن پایین تر دیده شد. سیستم جمع آوری داده ها این پدیده ناگهانی را بدون مشکل ثبت کرد و نتایج دقیقی از عملکرد موتور تک فاز ارائه داد.

نتیجه گیری

در این مقاله یک دستگاه تست برای بررسی مشخصات الکترومکانیکی شبه استاتیک موتورهای القایی تغذیه شده با ولتاژ سینوسی معرفی شد. این سامانه امکان جمع آوری داده ها از سرعت صفر را فراهم میکند و موتور تحت آزمایش میتواند برای ارزیابی دقیق گشتاور راه اندازی در حالت سکون نگه داشته شود. استفاده از موتور محرک و سیستم کنترل سرعت دقیق، شرایط مناسبی برای انجام آزمایش های مختلف و تحلیل عملکرد واقعی موتور فراهم میکند.

ثبت کننده داده HBM GEN3i نیز با فراهم کردن جریان کامل داده ها و ثبت پدیده های گذرا، امکان تحلیل پارامترهایی مانند راندمان، ضریب توان، توان و تلفات را فراهم می سازد. نتایج آزمایش انجام شده روی دو موتور نشان میدهد که این دستگاه قادر است مشخصات کامل موتور را در زمانی بسیار کوتاه ثبت کند و به عنوان یک راهکار مؤثر برای اعتبارسنجی آنلاین موتورهای القایی کوچک و متوسط مورد استفاده قرار گیرد.

برای آشنایی بیشتر با فرآیندهای استاندارد بررسی و ارزیابی عملکرد موتورهای الکتریکی در مرحله تولید، میتوانید مقاله تست FAT موتور القایی را نیز مطالعه کنید.