Forskning i stjerneforseglingsberegning og anvendelse af synkrone traktionsmaskiner med permanent magnet

Baggrund

Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM'er) er meget udbredt i moderne industri og dagligdag på grund af deres fordele med høj effektivitet, energibesparelse og pålidelighed, hvilket gør dem til det foretrukne strømudstyr på mange områder. Permanent magnet synkrontraktionsmaskiner, gennem avancerede kontrolteknologier, giver ikke kun en jævn løftebevægelse, men opnår også præcis positionering og sikkerhedsbeskyttelse af elevatorstolen. Med deres fremragende ydeevne er de blevet nøglekomponenter i mange elevatorsystemer. Men med den kontinuerlige udvikling af elevatorteknologi stiger ydeevnekravene til permanentmagnetiske synkrontraktionsmaskiner, især anvendelsen af ​​"stjerneforsegling"-teknologi, som er blevet et forskningshotspot.

Forskningsspørgsmål og betydning

Traditionel evaluering af stjernetætningsmoment i synkrone traktionsmaskiner med permanent magnet er afhængig af teoretiske beregninger og udledning fra målte data, som kæmper for at tage højde for de ultra-transiente processer af stjerneforsegling og ikke-lineariteten af ​​elektromagnetiske felter, hvilket resulterer i lav effektivitet og nøjagtighed. Den øjeblikkelige store strøm under stjerneforsegling udgør en risiko for irreversibel afmagnetisering af permanente magneter, hvilket også er vanskeligt at vurdere. Med udviklingen af ​​finite element analyse (FEA) software er disse problemer blevet løst. I øjeblikket er teoretiske beregninger mere brugt til at guide design, og kombinere dem med softwareanalyse muliggør hurtigere og mere nøjagtig analyse af stjernetætningsmoment. Dette papir tager en permanent magnet synkron traktionsmaskine som et eksempel til at udføre finite element-analyse af dens stjerneforseglingsdriftsbetingelser. Disse undersøgelser hjælper ikke kun med at berige det teoretiske system af synkrone traktionsmaskiner med permanent magnet, men giver også stærk støtte til at forbedre elevatorsikkerhedsydelsen og optimere ydeevnen.

Anvendelse af finite element-analyse i stjerneforseglingsberegninger

For at verificere nøjagtigheden af ​​simuleringsresultater blev der valgt en trækmaskine med eksisterende testdata med en nominel hastighed på 159 rpm. Det målte steady-state stjernetætningsmoment og viklingsstrøm ved forskellige hastigheder er som følger. Stjernetætningsmomentet når sit maksimum ved 12 omdr./min.

Figur 1: Målte data for stjerneforsegling

Dernæst blev finite element-analyse af denne trækmaskine udført ved hjælp af Maxwell-software. Først blev den geometriske model af trækmaskinen etableret, og tilsvarende materialeegenskaber og randbetingelser blev fastsat. Derefter, ved at løse elektromagnetiske feltligninger, blev tidsdomænestrømkurverne, momentkurverne og demagnetiseringstilstandene for permanente magneter på forskellige tidspunkter opnået. Konsistensen mellem simuleringsresultater og målte data blev verificeret.

Etableringen af ​​traktionsmaskinens finite element model er grundlæggende for elektromagnetisk analyse og vil ikke blive uddybet her. Det understreges, at motorens materialeindstillinger skal være i overensstemmelse med den faktiske brug; med tanke på efterfølgende afmagnetiseringsanalyse af permanente magneter, skal der anvendes ulineære B-H kurver til permanente magneter. Dette papir fokuserer på, hvordan man implementerer stjerneforsegling og afmagnetiseringssimulering af traktionsmaskinen i Maxwell. Stjerneforsegling i softwaren realiseres gennem et eksternt kredsløb, med den specifikke kredsløbskonfiguration vist i figuren nedenfor. Trækmaskinens trefasede statorviklinger er betegnet som LPhaseA/B/C i kredsløbet. For at simulere pludselig kortslutningsstjerneforsegling af de trefasede viklinger er et parallelmodul (bestående af en strømkilde og en strømstyret kontakt) forbundet i serie med hvert faseviklingskredsløb. I første omgang er den strømstyrede kontakt åben, og den trefasede strømkilde leverer strøm til viklingerne. På et indstillet tidspunkt lukker den strømstyrede kontakt, kortslutter den trefasede strømkilde og kortslutter de trefasede viklinger og går ind i kortslutningsstjernetætningstilstanden.

Figur 2: Design af stjernetætningskredsløb

Trækmaskinens målte maksimale stjernetætningsmoment svarer til en hastighed på 12 o/min. Under simulering blev hastigheder indstillet til 10 rpm, 12 rpm og 14 rpm for at tilpasse sig den målte hastighed. Med hensyn til simuleringens stoptid, i betragtning af at viklingsstrømme stabiliseres hurtigere ved lavere hastigheder, blev der kun indstillet 2-3 elektriske cyklusser. Ud fra resultaternes tidsdomænekurver kan det vurderes, at det beregnede stjernetætningsmoment og viklingsstrømmen har stabiliseret sig. Simuleringen viste, at steady-state stjernetætningsmomentet ved 12 rpm var det største, ved 5885,3 Nm, hvilket var 5,6 % lavere end den målte værdi. Den målte viklingsstrøm var 265,8 A, og den simulerede strøm var 251,8 A, med simuleringsværdien også 5,6 % lavere end den målte værdi, hvilket opfylder kravene til designnøjagtighed.

Figur 3: Højeste stjernetætningsmoment og viklingsstrøm

Trækmaskiner er sikkerhedskritisk specialudstyr, og permanent magnet afmagnetisering er en af ​​nøglefaktorerne, der påvirker deres ydeevne og pålidelighed. Irreversibel afmagnetisering, der overstiger standarder, er ikke tilladt. I dette papir bruges Ansys Maxwell-software til at simulere demagnetiseringskarakteristika af permanente magneter under omvendte magnetiske felter induceret af kortslutningsstrømme i stjerneforseglingstilstand. Fra viklingsstrømtrenden overstiger strømspidsen 1000 A ved stjerneforseglingstidspunktet og stabiliserer sig efter 6 elektriske cyklusser. Afmagnetiseringshastigheden i Maxwell-software repræsenterer forholdet mellem resterende magnetisme af permanente magneter efter eksponering for et afmagnetiseringsfelt og deres oprindelige restmagnetisme; en værdi på 1 indikerer ingen afmagnetisering, og 0 indikerer fuldstændig afmagnetisering. Fra afmagnetiseringskurverne og konturkortene er den permanentmagnetiske afmagnetiseringshastighed 1, uden observeret afmagnetisering, hvilket bekræfter, at den simulerede trækmaskine opfylder pålidelighedskravene.

Figur 4: Tidsdomænekurve for viklingsstrøm under stjerneforsegling ved nominel hastighed

Figur 5: Afmagnetiseringshastighedskurve og afmagnetiseringskonturkort over permanente magneter

Uddybning og Outlook

Gennem både simulering og måling kan traktionsmaskinens stjernetætningsmoment og risikoen for permanent magnetisk afmagnetisering kontrolleres effektivt, hvilket giver stærk støtte til ydelsesoptimering og sikrer sikker drift og lang levetid for traktionsmaskinen. Dette papir udforsker ikke kun beregningen af ​​stjernetætningsmoment og afmagnetisering i synkrone traktionsmaskiner med permanent magnet, men fremmer også kraftigt forbedringen af ​​elevatorsikkerhed og ydeevneoptimering. Vi ser frem til at fremme teknologiske fremskridt og innovative gennembrud på dette område gennem tværfagligt samarbejde og udvekslinger. Vi opfordrer også flere forskere og praktikere til at fokusere på dette felt og bidrage med visdom og indsats for at forbedre ydeevnen af ​​synkrone traktionsmaskiner med permanent magnet og sikre sikker drift af elevatorer.