Investigación sobre el cálculo de las estrellas y la aplicación de máquinas de tracción sincrónicas de imán permanente

Fondo

Los motores sincrónicos de imán permanente (PMSMS) se utilizan ampliamente en la industria moderna y la vida diaria debido a sus ventajas de alta eficiencia, ahorro de energía y confiabilidad, lo que los convierte en el equipo de energía preferido en numerosos campos. Las máquinas de tracción sincrónicas de imán permanente, a través de tecnologías de control avanzadas, no solo proporcionan un movimiento de elevación suave sino que también logran posicionamiento preciso y protección de seguridad del automóvil del elevador. Con su excelente rendimiento, se han convertido en componentes clave en muchos sistemas de ascensores. Sin embargo, con el desarrollo continuo de la tecnología del ascensor, los requisitos de rendimiento para las máquinas de tracción sincrónicas de imán permanente están aumentando, especialmente la aplicación de la tecnología de "sellado estrella", que se ha convertido en un punto de acceso de investigación.

Problemas de investigación e importancia

La evaluación tradicional del torque de sellado de estrellas en máquinas de tracción sincrónicas de imán permanente se basa en los cálculos teóricos y la derivación de los datos medidos, que luchan por dar cuenta de los procesos ultra transitorios de sellado de estrellas y la no linealidad de los campos electromagnéticos, lo que resulta en baja eficiencia y precisión. La corriente grande instantánea durante el sellado de estrellas presenta un riesgo de desmagnetización irreversible de imanes permanentes, que también es difícil de evaluar. Con el desarrollo del software de análisis de elementos finitos (FEA), estos problemas se han abordado. Actualmente, los cálculos teóricos se utilizan más para guiar el diseño, y combinarlos con el análisis de software permite un análisis más rápido y preciso del torque de sellado estrella. Este documento toma una máquina de tracción sincrónica de imán permanente como ejemplo para realizar un análisis de elementos finitos de sus condiciones de funcionamiento de sellado estrella. Estos estudios no solo ayudan a enriquecer el sistema teórico de las máquinas de tracción sincrónicas de imán permanente, sino que también brindan un fuerte apoyo para mejorar el rendimiento de la seguridad del elevador y la optimización del rendimiento.

Aplicación del análisis de elementos finitos en los cálculos de sellado de estrellas

Para verificar la precisión de los resultados de la simulación, se seleccionó una máquina de tracción con datos de prueba existentes, con una velocidad nominal de 159 rpm. El par medido de sellado de estrellas en estado estacionario y la corriente de devanado a diferentes velocidades son los siguientes. El par de sellado de estrellas alcanza su máximo a 12 rpm.

Figura 1: Datos medidos de sellado de estrellas

A continuación, el análisis de elementos finitos de esta máquina de tracción se realizó utilizando el software Maxwell. Primero, se estableció el modelo geométrico de la máquina de tracción, y se establecieron las propiedades y condiciones de contorno correspondientes. Luego, al resolver las ecuaciones de campo electromagnético, se obtuvieron las curvas de corriente del dominio del tiempo, las curvas de par y los estados de desmagnetización de imanes permanentes en diferentes momentos. Se verificó la consistencia entre los resultados de la simulación y los datos medidos.

El establecimiento del modelo de elementos finitos de la máquina de tracción es fundamental para el análisis electromagnético y no se elaborará aquí. Se enfatiza que la configuración material del motor debe ajustarse al uso real; Teniendo en cuenta el posterior análisis de desmagnetización de imanes permanentes, las curvas B-H no lineales deben usarse para imanes permanentes. Este documento se centra en cómo implementar la simulación de sellado estrella y desmagnetización de la máquina de tracción en Maxwell. El sellado de estrellas en el software se realiza a través de un circuito externo, con la configuración de circuito específica que se muestra en la figura a continuación. Los devanados del estator trifásico de la máquina de tracción se denotan como LPHASEA/B/C en el circuito. Para simular el sellado estrella de cortocircuito repentino de los devanados trifásicos, un módulo paralelo (compuesto por una fuente de corriente y un interruptor controlado por corriente) se conecta en serie con cada circuito de devanado de fase. Inicialmente, el interruptor controlado por corriente está abierto y la fuente de corriente trifásica proporciona energía a los devanados. En un momento establecido, el interruptor controlado por corriente se cierra, cortocircuitando la fuente de corriente trifásica y cortando los devanados trifásicos, ingresando al estado de sellado de estrellas de cortocircuito.

Figura 2: Diseño del circuito de sellado de estrellas

El torque máximo de sellado estrella de la máquina de tracción corresponde a una velocidad de 12 rpm. Durante la simulación, las velocidades se parametrizaron como 10 rpm, 12 rpm y 14 rpm para alinearse con la velocidad medida. Con respecto al tiempo de parada de simulación, teniendo en cuenta que las corrientes de devanado se estabilizan más rápido a velocidades más bajas, solo se establecieron 2-3 ciclos eléctricos. A partir de las curvas de resultados de dominio del tiempo, se puede juzgar que el par calculado de sellado estrella y la corriente de devanado se han estabilizado. La simulación mostró que el par de sellado de estrellas en estado estacionario a 12 rpm fue el más grande, a 5885.3 nm, que fue 5.6% más bajo que el valor medido. La corriente de devanado medida fue de 265.8 A, y la corriente simulada fue de 251.8 A, con el valor de simulación también 5.6% más bajo que el valor medido, cumpliendo con los requisitos de precisión del diseño.

Figura 3: Torque de sellado de estrellas pico y corriente de devanado

Las máquinas de tracción son equipos especiales críticos de seguridad, y la desmagnetización de imán permanente es uno de los factores clave que afectan su rendimiento y confiabilidad. La desmagnetización irreversible que excede los estándares no está permitido. En este documento, el software ANSYS Maxwell se utiliza para simular las características de desmagnetización de los imanes permanentes en campos magnéticos inversos inducidos por corrientes de cortocircuito en el estado de sellado estrella. A partir de la tendencia de la corriente de devanado, el pico de corriente excede 1000 A en el momento del sellado estrella y se estabiliza después de 6 ciclos eléctricos. La tasa de desmagnetización en el software Maxwell representa la relación del magnetismo residual de los imanes permanentes después de la exposición a un campo de desmagnetización a su magnetismo residual original; Un valor de 1 indica no desmagnetización, y 0 indica la desmagnetización completa. A partir de las curvas de desmagnetización y los mapas de contorno, la tasa de desmagnetización de magnet permanente es 1, sin observada desmagnetización, lo que confirma que la máquina de tracción simulada cumple con los requisitos de confiabilidad.

Figura 4: Curva de dominio de tiempo de la corriente de devanado bajo sellado de estrellas a velocidad nominal

Figura 5: Curva de velocidad de desmagnetización y mapa de contorno de desmagnetización de imanes permanentes

Profundización y perspectiva

A través de la simulación y la medición, el torque de sellado estrella de la máquina de tracción y el riesgo de desmagnetización de imán permanente pueden controlarse de manera efectiva, proporcionando un fuerte soporte para la optimización del rendimiento y garantizar un funcionamiento seguro y la longevidad de la máquina de tracción. Este documento no solo explora el cálculo del par de sellado estrella y la desmagnetización en máquinas de tracción sincrónicas de imán permanente, sino que también promueve fuertemente la mejora de la seguridad del ascensor y la optimización del rendimiento. Esperamos avanzar en el progreso tecnológico y los avances innovadores en este campo a través de la cooperación e intercambios interdisciplinarios. También pedimos a más investigadores y profesionales que se concentren en este campo, contribuyendo la sabiduría y los esfuerzos para mejorar el rendimiento de las máquinas de tracción sincrónicas de imán permanente y asegurando la operación segura de los ascensores.