Investigación sobre el cálculo del sellado de estrellas y la aplicación de máquinas de tracción síncronas de imanes permanentes

Fondo

Los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) se utilizan ampliamente en la industria moderna y en 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 síncrona de imanes permanentes, a través de tecnologías de control avanzadas, no solo proporcionan un movimiento de elevación suave sino que también logran un posicionamiento preciso y protección de seguridad de la cabina del ascensor. Con su excelente rendimiento, se han convertido en componentes clave en muchos sistemas de ascensores. Sin embargo, con el desarrollo continuo de la tecnología de ascensores, los requisitos de rendimiento para las máquinas de tracción síncronas de imanes permanentes están aumentando, especialmente la aplicación de la tecnología de "sellado en estrella", que se ha convertido en un punto de investigación.

Problemas de investigación y significado

La evaluación tradicional del par de sellado de estrellas en máquinas de tracción síncronas de imanes permanentes se basa en cálculos teóricos y derivaciones de datos medidos, que luchan por tener en cuenta los procesos ultratransitorios de sellado de estrellas y la no linealidad de los campos electromagnéticos, lo que resulta en una baja eficiencia y precisión. La gran corriente instantánea durante el sellado de estrellas plantea un riesgo de desmagnetización irreversible de los 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 par de sellado en estrella. Este artículo toma como ejemplo una máquina de tracción síncrona de imanes permanentes para realizar un análisis de elementos finitos de sus condiciones operativas de sellado en estrella. Estos estudios no solo ayudan a enriquecer el sistema teórico de las máquinas de tracción síncronas de imanes permanentes, sino que también brindan un fuerte apoyo para mejorar el rendimiento de seguridad de los ascensores y optimizar el rendimiento.

Aplicación del análisis de elementos finitos en 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 de sellado de estrella en estado estacionario medido y la corriente de bobinado a diferentes velocidades son los siguientes. El par de estrella alcanza su máximo a 12 rpm.

Figura 1: Datos medidos del sellado de estrellas

A continuación, se realizó un análisis de elementos finitos de esta máquina de tracción utilizando el software Maxwell. En primer lugar, se estableció el modelo geométrico de la máquina de tracción y se establecieron las correspondientes propiedades del material y condiciones límite. Luego, resolviendo ecuaciones de campo electromagnético, se obtuvieron las curvas de corriente en el dominio del tiempo, las curvas de par y los estados de desmagnetización de los imanes permanentes en diferentes momentos. Se verificó la coherencia 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 detallará aquí. Se enfatiza que la configuración del material del motor debe ajustarse al uso real; Teniendo en cuenta el análisis de desmagnetización posterior de los imanes permanentes, se deben utilizar curvas B-H no lineales para los imanes permanentes. Este artículo se centra en cómo implementar la simulación de desmagnetización y sellado en estrella de la máquina de tracción en Maxwell. El sellado en estrella en el software se realiza a través de un circuito externo, con la configuración de circuito específica que se muestra en la siguiente figura. Los devanados del estator trifásico de la máquina de tracción se denominan LPaseA/B/C en el circuito. Para simular un sellado en estrella de cortocircuito repentino de los devanados trifásicos, se conecta un módulo paralelo (compuesto por una fuente de corriente y un interruptor controlado por corriente) en serie con cada circuito de devanado de fase. Inicialmente, el interruptor controlado por corriente está abierto y la fuente de corriente trifásica suministra energía a los devanados. En un momento determinado, el interruptor controlado por corriente se cierra, provocando un cortocircuito en la fuente de corriente trifásica y en los devanados trifásicos, entrando en el estado de sellado en estrella de cortocircuito.

Figura 2: Diseño del circuito de sellado en estrella

El par máximo medido de sellado en 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 alinearlas con la velocidad medida. En cuanto al tiempo de parada de la simulación, considerando que las corrientes de los devanados se estabilizan más rápido a velocidades más bajas, solo se establecieron 2 o 3 ciclos eléctricos. A partir de las curvas de resultados en el dominio del tiempo, se puede juzgar que el par de sellado en estrella calculado y la corriente del devanado se han estabilizado. La simulación mostró que el par de sellado en estrella en estado estacionario a 12 rpm era el mayor, con 5885,3 Nm, un 5,6% menos que el valor medido. La corriente del devanado medida fue de 265,8 A y la corriente simulada fue de 251,8 A; el valor de simulación también fue un 5,6 % menor que el valor medido, cumpliendo con los requisitos de precisión del diseño.

Figura 3: Torque máximo de sellado en estrella y corriente de devanado

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

Figura 4: Curva en el dominio del tiempo de la corriente del devanado bajo sellado en estrella a velocidad nominal

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

Profundización y perspectiva

Tanto a través de la simulación como de la medición, el par de sellado en estrella de la máquina de tracción y el riesgo de desmagnetización del imán permanente se pueden controlar de manera efectiva, brindando un fuerte apoyo para la optimización del rendimiento y garantizando una operación segura y la longevidad de la máquina de tracción. Este artículo no solo explora el cálculo del par de sellado en estrella y la desmagnetización en máquinas de tracción síncronas de imanes permanentes, sino que también promueve fuertemente la mejora de la seguridad de los ascensores y la optimización del rendimiento. Esperamos avanzar en el progreso tecnológico y los avances innovadores en este campo a través de la cooperación y los intercambios interdisciplinarios. También hacemos un llamado a más investigadores y profesionales para que se centren en este campo, aportando sabiduría y esfuerzos para mejorar el rendimiento de las máquinas de tracción síncronas de imanes permanentes y garantizando el funcionamiento seguro de los ascensores.