Pesquisa sobre cálculo de vedação estelar e aplicação de máquinas de tração síncrona de ímã permanente

Fundo

Os motores síncronos de ímã permanente (PMSMs) são amplamente utilizados na indústria moderna e na vida diária devido às suas vantagens de alta eficiência, economia de energia e confiabilidade, tornando-os o equipamento de energia preferido em vários campos. Máquinas de tração síncrona de ímã permanente, por meio de tecnologias de controle avançadas, não apenas fornecem movimento de elevação suave, mas também alcançam posicionamento preciso e proteção de segurança da cabine do elevador. Com seu excelente desempenho, eles se tornaram componentes essenciais em muitos sistemas de elevadores. No entanto, com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de elevadores, os requisitos de desempenho para máquinas de tração síncrona de ímã permanente estão aumentando, especialmente a aplicação da tecnologia de "vedação em estrela", que se tornou um ponto importante de pesquisa.

Questões de pesquisa e significância

A avaliação tradicional do torque de vedação em estrela em máquinas de tração síncrona de ímã permanente depende de cálculos teóricos e derivação de dados medidos, que lutam para levar em conta os processos ultratransitórios de vedação em estrela e a não linearidade dos campos eletromagnéticos, resultando em baixa eficiência e precisão. A grande corrente instantânea durante a vedação em estrela representa um risco de desmagnetização irreversível dos ímãs permanentes, o que também é difícil de avaliar. Com o desenvolvimento do software de análise de elementos finitos (FEA), essas questões foram abordadas. Atualmente, os cálculos teóricos são mais utilizados para orientar o projeto, e combiná-los com a análise de software permite uma análise mais rápida e precisa do torque de vedação em estrela. Este artigo toma como exemplo uma máquina de tração síncrona de ímã permanente para conduzir a análise de elementos finitos de suas condições operacionais de vedação em estrela. Esses estudos não apenas ajudam a enriquecer o sistema teórico de máquinas de tração síncrona de ímã permanente, mas também fornecem um forte suporte para melhorar o desempenho de segurança do elevador e otimizar o desempenho.

Aplicação da análise de elementos finitos em cálculos de vedação estelar

Para verificar a precisão dos resultados da simulação, foi selecionada uma máquina de tração com dados de teste existentes, com velocidade nominal de 159 rpm. O torque de vedação em estrela em estado estacionário medido e a corrente do enrolamento em diferentes velocidades são os seguintes. O torque de vedação em estrela atinge seu máximo às 12 rpm.

Figura 1: Dados medidos de Star-Sealing

Em seguida, foi realizada a análise de elementos finitos desta máquina de tração utilizando o software Maxwell. Primeiro, o modelo geométrico da máquina de tração foi estabelecido e as propriedades do material e condições de contorno correspondentes foram definidas. Em seguida, resolvendo equações de campo eletromagnético, foram obtidas as curvas de corrente no domínio do tempo, curvas de torque e estados de desmagnetização de ímãs permanentes em diferentes tempos. A consistência entre os resultados da simulação e os dados medidos foi verificada.

O estabelecimento do modelo de elementos finitos da máquina de tração é fundamental para a análise eletromagnética e não será elaborado aqui. Ressalta-se que as configurações de material do motor devem estar em conformidade com o uso real; considerando a análise subsequente de desmagnetização de ímãs permanentes, curvas BH não lineares devem ser usadas para ímãs permanentes. Este artigo se concentra em como implementar a simulação de vedação em estrela e desmagnetização da máquina de tração em Maxwell. A vedação em estrela no software é realizada através de um circuito externo, com a configuração específica do circuito mostrada na figura abaixo. Os enrolamentos trifásicos do estator da máquina de tração são indicados como LFaseA/B/C no circuito. Para simular a vedação em estrela de curto-circuito repentino dos enrolamentos trifásicos, um módulo paralelo (composto por uma fonte de corrente e uma chave controlada por corrente) é conectado em série com cada circuito de enrolamento de fase. Inicialmente, a chave controlada por corrente está aberta e a fonte de corrente trifásica fornece energia aos enrolamentos. Em um tempo definido, a chave controlada por corrente fecha, curto-circuitando a fonte de corrente trifásica e curto-circuitando os enrolamentos trifásicos, entrando no estado de vedação em estrela de curto-circuito.

Figura 2: Projeto do circuito de vedação em estrela

O torque máximo medido de vedação em estrela da máquina de tração corresponde a uma velocidade de 12 rpm. Durante a simulação, as velocidades foram parametrizadas como 10 rpm, 12 rpm e 14 rpm para alinhar com a velocidade medida. Em relação ao tempo de parada da simulação, considerando que as correntes dos enrolamentos se estabilizam mais rapidamente em velocidades mais baixas, apenas 2 a 3 ciclos elétricos foram definidos. A partir das curvas de resultados no domínio do tempo, pode-se julgar que o torque de vedação em estrela calculado e a corrente do enrolamento se estabilizaram. A simulação mostrou que o torque de vedação em estrela em estado estacionário a 12 rpm foi o maior, de 5.885,3 Nm, que foi 5,6% menor que o valor medido. A corrente medida do enrolamento foi de 265,8 A e a corrente simulada foi de 251,8 A, com o valor de simulação também 5,6% inferior ao valor medido, atendendo aos requisitos de precisão do projeto.

Figura 3: Pico de Torque de Vedação em Estrela e Corrente de Enrolamento

As máquinas de tração são equipamentos especiais críticos para a segurança, e a desmagnetização do ímã permanente é um dos principais fatores que afetam seu desempenho e confiabilidade. Não é permitida desmagnetização irreversível que exceda os padrões. Neste artigo, o software Ansys Maxwell é usado para simular as características de desmagnetização de ímãs permanentes sob campos magnéticos reversos induzidos por correntes de curto-circuito no estado de vedação em estrela. A partir da tendência da corrente do enrolamento, o pico da corrente excede 1000 A no momento da vedação da estrela e estabiliza após 6 ciclos elétricos. A taxa de desmagnetização no software Maxwell representa a proporção entre o magnetismo residual dos ímãs permanentes após exposição a um campo de desmagnetização e seu magnetismo residual original; um valor de 1 indica nenhuma desmagnetização e 0 indica desmagnetização completa. A partir das curvas de desmagnetização e mapas de contorno, a taxa de desmagnetização do ímã permanente é 1, sem observação de desmagnetização, confirmando que a máquina de tração simulada atende aos requisitos de confiabilidade.

Figura 4: Curva no domínio do tempo da corrente do enrolamento sob vedação em estrela na velocidade nominal

Figura 5: Curva de taxa de desmagnetização e mapa de contorno de desmagnetização de ímãs permanentes

Aprofundamento e Perspectivas

Através de simulação e medição, o torque de vedação em estrela da máquina de tração e o risco de desmagnetização do ímã permanente podem ser controlados de forma eficaz, fornecendo um forte suporte para a otimização do desempenho e garantindo a operação segura e a longevidade da máquina de tração. Este artigo não apenas explora o cálculo do torque de vedação em estrela e da desmagnetização em máquinas de tração síncrona de ímã permanente, mas também promove fortemente a melhoria da segurança do elevador e a otimização do desempenho. Esperamos promover o progresso tecnológico e avanços inovadores neste campo através de cooperação e intercâmbios interdisciplinares. Apelamos também a mais investigadores e profissionais para se concentrarem neste campo, contribuindo com sabedoria e esforços para melhorar o desempenho das máquinas de tração síncrona de ímanes permanentes e garantir a operação segura dos elevadores.