Testowanie silników PMSM i silników indukcyjnych: Kluczowe różnice i wymagania testowe

Przez zespół inżynierów EconoTest · Producent stanowisk testowych, Szanghaj

Dlaczego typ silnika zmienia podejście do testów

Silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (PMSM) i silniki indukcyjne (JESTEM) mają te same podstawowe interfejsy elektryczne — trójfazowe, napęd o zmiennej częstotliwości, ten sam wyjściowy moment obrotowy/prędkość – ale ich wewnętrzna fizyka jest zasadniczo inna. Różnice te przekładają się na procedurę testową, wymagania hamowni, potrzebne kanały danych, oraz zastosowane kryteria pozytywne/niezaliczone. Określenie stanowiska testowego bez uwzględnienia typu silnika jest najczęstszym i najkosztowniejszym błędem konfiguracyjnym, jaki widzimy w zapytaniach ofertowych.

Kluczowe różnice fizyczne wpływające na wymagania testowe

Parametr	PMSM	Silnik indukcyjny (JESTEM)
Wzbudzenie wirnika	Magnesy trwałe (bez poślizgu)	Indukowany prąd wirnika (wymaga poślizgu)
Prędkość przy częstotliwości synchronicznej	Dokładnie synchroniczne	Zawsze poniżej synchronii (1–5% poślizgu)
Back-EMF przy zerowym prądzie	Niezerowe (strumień magnesu)	Zero (brak namagnesowania wirnika)
Moment obrotowy	Obecny (interakcja biegun-szczelina)	Nieistotny (wirnik klatkowy)
Lokalizacja szczytu wydajności	Średnie obciążenie, średnia prędkość (szeroki region)	Prawie obciążenie znamionowe, prędkość znamionowa
Tryb awarii termicznej	Rozmagnesowanie magnesu + meandrowy	Tylko izolacja uzwojenia

Testy unikalne dla PMSM

Back-EMF (BEMF) Test

Test BEMF obraca PMSM do określonej prędkości za pomocą dynamometru, podczas gdy zaciski silnika są w obwodzie otwartym (brak podłączonego napędu). Mierzone jest napięcie indukowane w każdej parze faz i porównywane z wartością projektową. Amplituda BEMF potwierdza gęstość strumienia magnesu i efektywną liczbę par biegunów; Kształt fali BEMF (Analiza FFT) identyfikuje wady montażu magnesu, ekscentryczność, i obszary rozmagnesowane. Test ten jest niemożliwy w przypadku silnika indukcyjnego — nie występuje namagnesowanie szczątkowe wirnika, które mogłoby wygenerować napięcie.

Test momentu obrotowego

Moment zaczepowy to okresowe tętnienie momentu obrotowego spowodowane interakcją między magnesami trwałymi a żłobkami stojana przy zerowym prądzie. Aby to zmierzyć, hamownia musi obracać silnik na bardzo niskim poziomie, stała prędkość (<5 obr./min) podczas pomiaru chwilowego momentu obrotowego. Szczytowy moment zaczepowy i jego zawartość harmoniczna są wyodrębniane z sygnału momentu obrotowego. Przetwornik momentu obrotowego o wysokiej rozdzielczości (±0,05% FS lub lepiej) i wzmacniacz o niskim poziomie szumów. Zobacz nasze przewodnik pomiaru momentu obrotowego dla pełnej procedury.

Test ryzyka rozmagnesowania

Magnesy NdFeB tracą strumień nieodwracalnie, jeśli zostaną wystawione na działanie nadmiernego przeciwnego pola magnetycznego (prąd rozmagnesowujący) powyżej temperatury kolan. W teście stosuje się prąd zwarciowy o maksymalnej oczekiwanej temperaturze i mierzy BEMF przed i po. Trwały spadek amplitudy BEMF wskazuje na częściowe rozmagnesowanie. Test ten wymaga warunków kontrolowanych temperaturą i dokładnego monitorowania prądu — przemiennik musi być w stanie kontrolować wtrysk prądu zwarciowego.

d-q Mapowanie bieżącego kąta osi

Wydajność PMSM zależy od stosunku prądu w osi d do prądu w osi q (aktualny kąt wyprzedzenia γ). Maksymalny moment obrotowy na amper (MTPA) punkt przesuwa się wraz z prędkością i temperaturą. Pełne mapowanie wydajności PMSM wymaga, aby oprogramowanie stanowiska testowego przemiatało jednocześnie wartość zadaną momentu obrotowego ORAZ kąt prądu — dwuwymiarową siatkę testową, która tworzy powierzchnię wydajności, a nie prostą krzywą wydajności. Standardowe oprogramowanie do testowania silników indukcyjnych nie jest w stanie tego zrobić.

Testy charakterystyczne dla silników indukcyjnych

Pomiar i kompensacja poślizgu

Prędkość silnika indukcyjnego jest zawsze niższa od prędkości synchronicznej o procent poślizgu: s = (n_sync − n_rotor) / n_sync. Przy obciążeniu znamionowym, poślizg wynosi zazwyczaj 1–5%. Stanowisko badawcze musi dokładnie zmierzyć rzeczywistą prędkość wirnika, aby obliczyć poślizg — błąd pomiaru prędkości ±0,1% powoduje błąd obliczenia mocy ±2–5% przy niskim poślizgu. Oprogramowanie testowe musi kompensować przyłożony moment obciążenia dla rzeczywistej charakterystyki poślizgu silnika, nie zakładać pracy synchronicznej.

Testy bez obciążenia i przy zablokowanym wirniku

Klasyczny test bez obciążenia (silnik pracuje swobodnie przy napięciu znamionowym) oddziela straty w rdzeniu i tarcie/nawiew od strat w miedzi. Test zablokowanego wirnika (wirnik utrzymywany nieruchomo przy obniżonym napięciu) charakteryzuje indukcyjność rozproszenia i prąd rozruchowy. Obydwa testy są standardowe dla IM i nie mają znaczenia dla PMSM — PMSM przy zerowym prądzie wytwarza BEMF (nie jest to stan bez obciążenia), a zablokowany PMSM nie może być scharakteryzowany przez napięcie przy zablokowanym wirniku w ten sam sposób.

Klasa termiczna — tylko uzwojenie

Silniki indukcyjne mają jeden tryb awarii termicznej: uszkodzenie izolacji uzwojenia. Inżynier testowy koncentruje się na równowadze rezystancji fazowej (aby wyłapać asymetryczne ogrzewanie z powodu zwarć) i bezwzględnego wzrostu temperatury w stosunku do deklarowanej klasy izolacji. Nie ma odpowiednika ryzyka rozmagnesowania PMSM; klatka wirnika nie jest wrażliwa na temperaturę w tym samym sensie trybu awaryjnego.

Wspólne testy — ale różne kryteria akceptacji

Mapowanie wydajności

Obydwa typy silników wymagają mapowania wydajności w celu uzyskania certyfikatu klasy IE. Jednakże, Szczyt wydajności PMSM występuje w szerszym centralnym obszarze mapy momentu obrotowego i prędkości, podczas gdy wydajność IM jest silnie szczytowa w pobliżu znamionowego punktu pracy. Siatki testowe dla PMSM wymagają zatem większej liczby punktów testowych w średnim zakresie i mniejszej w skrajnych, aby dokładnie określić powierzchnię wydajności. IEC 60034-30-1 dotyczy obu typów, ale dodatkowa norma pomiarowa IEC 60034-2-1 ma określone sekcje metod dla maszyn synchronicznych i asynchronicznych.

Tętnienie momentu obrotowego

Tętnienie momentu obrotowego występuje w obu typach, ale z różnych powodów. Tętnienie PMSM jest zdominowane przez uzębienie (przestrzenny) i harmoniczna prądu (czasowy) komponenty. Tętnienia IM pochodzą z harmonicznych szczelin wirnika i asymetrycznej szczeliny powietrznej. Metoda pomiaru jest taka sama — sygnał momentu obrotowego o wysokiej rozdzielczości przy prędkości roboczej — ale zawartość częstotliwości analizy jest inna. Tętnienie PMSM jest wielokrotnością częstotliwości bieguna × szczeliny; Tętnienie IM jest wielokrotnością częstotliwości pręta wirnika.

Wybór właściwej konfiguracji stanowiska testowego

Do laboratorium testującego zarówno PMSM, jak i silniki indukcyjne, sprecyzować: (1) małą prędkość, przetwornik momentu obrotowego o wysokiej rozdzielczości, zdolny do rozpoznawania momentu zaczepowego (krytyczne dla PMSM, nieszkodliwy dodatek dla komunikatorów internetowych); (2) przetestuj oprogramowanie zarówno w trybie przemiatania MTPA, jak i kompensacji poślizgu; (3) dynamometr z kontrolą położenia do testów BEMF przy niskich prędkościach i testów uzębienia; (4) analizator mocy o wysokiej dokładności, który poprawnie obsługuje przebiegi niesinusoidalne wytwarzane przez falowniki PWM sterujące obydwoma typami silników.

Nasi inżynierowie ds. zastosowań mogą określić konfigurację pojedynczego stanowiska testowego, która będzie obejmować zarówno PMSM, jak i IM, bez kompromisów w którymkolwiek z nich. Skontaktuj się z nami ze specyfikacjami silnika, aby uzyskać rekomendację.

Często zadawane pytania

Czy ten sam dynamometr może testować zarówno silniki PMSM, jak i silniki indukcyjne??

Tak. Sam dynamometr — czy prąd wirowy, histereza, lub AC — jest niezależny od typu silnika. Przykłada moment obciążenia i mierzy prędkość. Różnice leżą w oprogramowaniu testowym, rozdzielczość przetwornika momentu obrotowego potrzebna do pomiaru uzębienia, oraz konieczność kontroli położenia przy bardzo małych prędkościach. Dobrze określony R&Ławka D z trybem kontroli położenia, kołnierz momentu obrotowego o wysokiej rozdzielczości, oraz oprogramowanie obsługujące zarówno tryby przemiatania MTPA, jak i tryby kompensacji poślizgu, mogą testować oba typy silników na tym samym sprzęcie.

Dlaczego badanie PMSM wymaga kontroli położenia na hamowni??

Testy momentu zaczepowego i BEMF wymagają, aby silnik obracał się z prędkością 1–5 obr./min przy precyzyjnie kontrolowanej prędkości obrotowej, stała prędkość kątowa. Standardowe pętle kontroli prędkości na hamowniach są dostrojone do setek lub tysięcy obrotów na minutę i charakteryzują się zbyt dużym błędem prędkości przy prędkościach bliskich zera. Tryb kontroli położenia — w którym serwo dynamometru zamyka pętlę na podstawie kąta wirnika, a nie prędkości — pozwala osiągnąć precyzję przy niskich prędkościach potrzebną do rozdzielenia sygnału momentu obrotowego w jednym cyklu elektrycznym.

Czy procedura testu wydajności różni się dla PMSM i IM?

Oba korzystają z IEC 60034-2-1 jako podstawowy standard pomiaru, ale siatka punktów pracy jest inna. Dla komunikatora, standardowa siatka jest odchylana od 25% Do 125% znamionowego momentu obrotowego przy znamionowej prędkości obrotowej. Dla PMSM (a konkretnie IPMSM), sieć musi również zmieniać prędkość z niskiej do podstawowej i do osłabienia pola, ponieważ powierzchnia wydajności zmienia się znacząco wraz z prędkością. Oznacza to, że mapowanie wydajności PMSM zajmuje 3–5 razy więcej punktów testowych i 2–3 razy więcej czasu testowania niż równoważne mapowanie IM.

Jaki jest największy błąd testowania PMSM?

Przeprowadzanie testów z zablokowanym wirnikiem przy pełnym napięciu. W przeciwieństwie do silnika indukcyjnego, w którym test zablokowanego wirnika przy obniżonym napięciu jest łagodny, PMSM o wysokim prądzie przy zablokowanym wirniku generuje maksymalne pole rozmagnesowujące na magnesach w czasie, gdy wirnik nie obraca się, aby rozprowadzić ciepło. W ciągu kilku sekund, lokalna temperatura magnesu może przekroczyć próg nieodwracalnego rozmagnesowania. Zawsze przeprowadzaj testy zablokowanego wirnika PMSM z ograniczeniem prądu i monitoruj temperaturę magnesu za pomocą wbudowanego czujnika.