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-- 發布時間：2010-12-9 12:50:57
-- 關于TYBZ稀土永磁同步電機和 專用變頻器實現機電一體化的討論
TYBZ稀土永磁同步電機的應用和推廣已近十年。隨著變頻技術的日趨完善，實現機電一體化，其優點已越來越明顯。TYBZ稀土永磁同步電機結合我國稀土元素豐富的特點，采用高性能稀土永磁材料作為同步電機轉子的，使電機的運轉效率和功率因數大幅度提高。該電機具有調速精度高，調速比大，輸出特性硬，運轉平穩。開環控制提高了系統的可靠性，降低了系統成本，從而大大提高了各行業產品的制造工藝。尤其是電機的恒轉矩輸出和轉速不隨負載波動的特性。通過變頻器有效控制，可使其輸出轉速保持恒定，在某些機械傳動中去掉減速器，這無疑給整個機械制造帶來一場新的革命。
近五年來，稀土永磁同步電機和變頻控制實現機電一體，已被廣泛應用于機械、石油、冶金、建材、食品、印刷、包裝、造紙、造船、塑料、紡織化纖、軍工等行業。自95年以來，分別為全國化纖、造紙、浮法玻璃、印刷機械、光纜設備等上市公司、國家壟斷行業所生產的設備所配套。同時在石化行業（安慶石化、金山石化）永磁同步電機替代了進口大型設備中的同類電機。但是變頻器對永磁同步電機的控制要比普通電機復雜的多，因此國外不少變頻器供應商已和永磁同步電機供應商合作，根據電機的壓頻比曲線，生產操作簡易的專用變頻器。在和這些專用變頻器實現機電一體中，我們做了一些工作，為此在這里將展開討論，以便讓變頻器供應商對永磁電機有進一步的了解。
一、 國內外同步電機的概況
美國GE公司早在五十年代就研制了一批數百瓦的永磁同步電動機，德國西門子公司自五十年代開始經過十年多，研究出各種不同用途、性能良好的永磁同步電動機，七十年代后期就生產出了30千瓦的電機。日本明電舍公司在六十年代后期就已有永磁同步電動機的系列產品供應。日立公司在七十年代就研制出高速的永磁同步電動機。我國自七十年代后期也陸續研制出多種結構的永磁同步電動機。
同步電動機的特點和分類：
交流同步電動機，它的特點是電動機的轉速與電源頻率完全成正比。
Ns=60f/p(rpm) 式中：f: 電源頻率 P: 極對數 Ns: 同步轉速
而交流異步電動機，它與同步電動機的區別在于：轉速與電源頻率不成正比，其轉速始終比同步電動機還要低，叫轉差率。
N=(1-s)ns(rpm) s=(ns-n)/ns*100%
同步電動機按其結構不同可分為：磁阻式同步電動機；磁滯式同步電動機；永磁式同步電動機。
| 1、磁阻式同步電動機 電動機的定子與異步電動機無多大出入。不同之處在于轉子片的形狀。見圖（1）。為了使電機能自起動，轉子片與異步電 機轉子片一樣具有鼠籠結構。但多了反應槽部分。開反應槽的目的是造成縱向磁阻和橫向磁阻的差別。磁阻差別越大反應轉矩就越大。一臺設計優越的磁阻電動機的功率可比同樣異步電動機大一個機座號。 |
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| 2、磁滯式同步電動機 電機的定子部分與一般的異步電動機無多大區別，而轉子結構有其特點，見圖（2）。它的轉子結構由非磁性材料制成。在 其表面套上一磁滯環構成.一般磁滯環采用的材料為絡鋼、鈷鋼等。在旋轉磁場中磁場滯環被磁化后，由于環的磁滯特性，使環磁通中滯后定子磁勢軸一個角度,并產生相應的轉矩，由于這個關系，從零至同步轉速都不變，所以轉矩T是恒值的。 磁滯同步電動機從啟動到正常工作過程中，基本與一般異步電動機性能相似，有較小的起動電流和空載電流。工作也很平穩，但它一般適用于較小功率的電機。 3、永磁同步電動機 永磁同步電動機的種類很多，用量也非常大。如轉子由永磁環，經多極充磁后制成，定子由帶齒的磁極加上集中繞組構成，其功率都很小。目前大量使用在家用電器中。 工業用永磁同步電動機的功率都比較大，它的結構與異步電動機結構相近。電機的定子部分與一般的異步電機無多大不同，其轉子結構與異步電機的轉子區別是多了一套永磁體。也即：在磁阻同步電動機的轉子的反映槽中放入永久磁鐵，就成了永磁同步電動機了。永磁同步電動機具有良好的控制性能，可通過頻率的變化進行調速。 永磁同步電機就其使用不同的永磁體，其性能特點有很大區別。用鐵氧體永磁材料制造的同步電動機。這類電動機研制的年代最早，因此使用也最長久，它的特點是：a.由于鐵氧體永磁材料的價格較低，因此此類永磁同步電動機的價格相應的也較便宜。b.由于鐵氧體永磁材料的磁能積比較低，磁場強度很小，用鐵氧體制造的同步電動機的體積相對就比較大，特別是制造大容量的電動機的較困難。但此類電機的起動電流比異步電機大不了多少。 1、 用金屬永磁體制成的永磁同步電動機，總的來說比用鐵氧體永磁材料制成的永磁同步電動機要優越些。 2、 用稀土永磁材料制成的永磁同步電動機，稀土永磁材料具有很高的磁能極，而且它的剩磁也特別高，用這類材料制成的永磁同步電動機具有很多優越性。除前面介紹的優點外，可縮小體積，提高工效。 二、永磁同步電動機和變頻控制配合曲線 稀土永磁同步電動機由于應用了高磁能積的永磁材料，其電動機的運行過程將比異步電動機具有不定的特性，該電動機一般也制成與異步電動機相似的電動機，即電動機的定子與異步電動機一樣，轉子、高磁能的永磁材料。電機在起動過程中，其起動電流將比用鐵氧體永磁同步電動機大，比異步電動機起動更大。原因是在起動過程中永磁體將發出電機的能量，電機起動時，不但消耗異步電機起動時的能量（產生空載起動電流），還將克服發電機的能量，因此它的起動電流是很大的。永磁磁能級越高，轉子用的永磁材料體積越大，電流也更大。因此對稀土永磁同步電動機在起動過程中必須要有足夠大的電流（一般比同容量異步電動機大2-3倍），但一旦達到穩定工作狀態（異步電動機在穩定工作狀態下，轉子將從定子中取得一定的電能來維持正常工作----鼠籠有短路電流），其永磁轉子不從定子取得電能，而是依靠永磁磁場，緊跟定自旋轉磁場旋轉。 1、 電機的壓頻比 永磁同步電動機與變頻器的配合中，關鍵是個壓頻比的問題。通用變頻器根據不同 的電機特性可以設置不同的壓頻比。 例1、 佛山化纖廠項目： 98年我公司通過巴馬格公司為佛山化纖廠投產的專絲項目中配套的計量泵電（210- 6），變頻控制是東麗公司明電舍的專用變頻器。雙方通過第三方牽頭合作，所以沒有及時溝通，在配合過程中碰到了一些問題。 從圖（3）中，我們可以看到日本專用變頻器不能電壓提升，雙方均未按照約定壓頻比曲線C，電機不能按照自己的運行曲線運行，從而便得出一條A曲線，無法工作。但電機對磁鋼修改后，壓頻比曲線B比較按照約定曲線C，此時專用變頻器在讀寫曲線時稍作余量，則會順利配合，達到滿意的效果。 |
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| 例2、 福州永安項目： 該項目分兩批，其中17臺中的磁鋼結構采用經向切入法，該批中的兩臺電機（機號 為：297、285），其電機特性曲線如圖 （4）。這次的配合嚴格按照約定的壓頻比曲線，所以整個項目開較為順利。 |
| 表<3> （167-6-97）51臺電機中抽其中2臺測試（用上海鉗形表） |
| 1998年12月14日 |
| 頻率（HZ） | 17 | 25 | 30 | 32 | 34 | 36 | 38 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 97 | |
| 297號 電機 |
電流 （A） |
3.8 | 5.5 | 5.5 | 5.4 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5/6.0 | 5.4/6.0 |
| 功率 （KW） |
0.50 | 0.92 | 1.10 | 1.04 | 1.13 | 1.17 | 1.40 | 1.42 | 1.63 | 1.89 | 2.08 | 2.10 | 2.04/2.70 | 2.43/3.25 | |
| 285號 電機 |
電流 （A） |
4.1 | 5.5 | 5.1 | 5.4 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 5.5 | 2.4/2.9 | 5.5 |
| 功率 （KW） |
0.50 | 0.92 | 1.10 | 1.25 | 1.33 | 1.38 | 1.43 | 1.46 | 1.76 | 1.98 | 2.36 | 2.62 | 2.36/2.86 | 3.20 | |
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| 2、 電機與變頻器配合問題的分析任何一臺電機都有自己的運行曲線，若當電機不在自己的運行曲線下，電機將發生下列現象： （1）、不能啟動； （2）、電流增大； （3）、噪音； （4）、振動； （5）、溫升過高。 引起電機的振動有二種情況：固有的機械振動和電流引起的諧波振動。 如上所述，佛山項目中由于力矩沒有提升到應有的位置，用日本的變頻測試器測出一條怪曲線，見圖（3）中的A 曲線。或 許相當一部分同志會誤解為質量問題，而真正原因是雙方的溝通不夠。沒有按圖所定的確曲線要求。 永磁同步電機（TYBZ1100-8）在出口至伊朗等國家的浮法玻璃生產線時，在出廠時對每一個頻點進行了檢測，一切都按圖（5）特性曲線正常進行但在整機調試中未調試到它的應有曲線卻發生振動、噪聲、電流增大等現象。由于該電機配套的是通用變頻器，經過調試最后終于找到電機的最佳運行點。 三、與專用變頻器配套的幾點體會 自中源公司生產永磁同步電動機以來，與國內外各大變頻器供應商配套多年，沒有發生什么問題。隨著變頻控制技術的發展，企業采用專用的變頻調速芯片后，在電機的配套上有些矛盾就顯露出來了。有些問題通過控制方和電機方的協調可以得到有效地解決。在實際制造中能否按約定的電機特性曲線，這是比較關鍵的。 中源公司通過佛山、海欣、福州等項目的配合，我們的體會有以下幾點： 1、 雙方必須有一個嚴格約定的可行的電機參數，而這一參數，最好先由電機方根據 滿足整機的設計要求而提出電機的特性參數，然后交給控制方。 2、 電機功率的余地雙方都不能放得太大。 我們對一些進口的 同步電機作了一些對比試驗，發現國內的同步電機的優點：功率的余量大，磁鋼的磁能級高，溫升低，但啟動困難。而進口的同步電機，功率余量小，易退磁。由于用鐵氧鐵材料 所以啟動方便，但升溫高。 3、 必須用統一的計量工具。在海欣項目中，我們發現了這一問題，在出廠試驗用SAKEN 的變頻器冊電機是符合曲線要求的。而到現場后，由于所用的變頻器不一致，導致電機的電流普遍增大，這是由于計量的工具不一致所造成的。 4、 變頻器容量的選擇 一般來說，我們使用多大功率的電機，就得配上多大功率的變頻電源，這是無可置疑的。但是稀土永磁同步電機的起動特性是很復雜的，至今尚無比較權威的計算理論資料。從特性分析：首先由于電機的轉子表面具鼠籠裝置，要依靠轉子的鼠籠對電機進行通電后的自啟動。因此，在啟動過程中具有典型的異步電動機的特性。第二，由于轉子內放置有相對的永磁體，如果我們將轉子旋轉起來,電機的定子發出電來，即成為發電機。而永磁同步電動機在啟動過程中存在發電機的效應，因此，為了讓永磁同步電機啟動運轉起來，必須要克服發電效應的阻力矩，電動機才能啟動，也就是說要消耗更多的空載功率才能達到。因此說永磁同步電動機比異步電動機啟動要困難得多，消耗的電功率大的永磁體越多，消耗的電功率也越大，所以永磁同步電動機在啟動過程中必須要有比較大的電流才行。它的啟動電流一般是異步電機的1-4倍左右。 永磁同步電動機的永磁轉子，其磁場的分布是比較復雜的，在不同頻段下，可能產生不同的高次波，如果此高次波與異步電動啟動過程中產生的高次波疊加，在此情況下，反映在電流的大小上，其電流值一般將大于額定電流值，這種大電流往往就影響變頻電源的最大工作電流的選擇。當前我們希望用戶在使用稀土永磁同步電機時選擇變頻器要求比異步電動機大一號，就是此原因。特別是與我們稀土永磁同步電機配套的專用變頻器，在電流的設計上希望過載電流的倍數越大越好（2倍或2倍以上），這是我們對變頻器供應商的要求。 就稀土永磁同步電動機而言，如何在結構上有所改進，讓電機在啟動過程中盡量減少高波次，是我們采用幅式永磁分布，將一個比較有效的措施。也得到了較好的效果。同時，我們希望在國內找到一家變頻器供應商，實現真正的機電一體化，更好地為國內各設備制造商和用戶服務。 |