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    工控行業最新黑科技-磁阻同步電機的驅動控制

    時間:2018-09-18    作者:津信變頻    點擊:
    電機作為重要的動力設備之一,廣泛應用于民用和工業用途。其中交流電機由于制造便宜、結構簡單、維護容易,在工農業生產、交通運輸、國防、商業及家用電器、醫療電器設備等各方面得到普遍應用。
    磁阻電機

    同步電機的由來
     
    交流電機可以分為同步電機和異步電機兩種。在沒有交流電子調速技術的年代里,電機的工頻啟動電流都很大,同步電機啟動電流約為額定值的10~20倍,異步電機的啟動電流也要達到額定的5~7倍。由于同步電機啟動電流太高,當時在技術上很難實現同步電機工頻直接啟動,因此交流驅動電機幾乎全為異步電機。但是異步電機最大的缺點在于轉子銅耗與鐵耗較大,降低了運行能效。

    伴隨著電力電子技術的發展,現代交流驅動器能很方便地解決交流電機的啟動問題,而同步電機在能效和響應速度方面又有卓越的表現,因此同步電機在傳動領域的應用又被提上了日程。

    什么是永磁同步電機和磁阻同步電機



    同步電機主要分為永磁同步電機和磁阻同步電機兩種。
     
    我們先來說說永磁同步電機,20世紀80年代發明的釹鐵硼稀土永磁材料加速了永磁同步電機的技術成熟。能效高、體積小、過載能力強、響應速度快等特點使得永磁同步電機的應用迅速推廣。然而稀土材料的稀缺性也使得永磁同步電機的價格一直相對較高。
     
    在這種背景下,另一種交流同步電機——磁阻同步電機進入了人們的視野。
     
    其實磁阻同步電機的理論模型早在1923年就被提出來了。只是當時缺乏實現的條件而漸漸被遺忘了。當所有的技術障礙都有成熟解決方案的時候,磁阻同步電機又從沉睡中被喚醒了,其優勢在于保持了同步電機一貫的節能高效的同時,制造工藝不再需要任何稀土材料。
     
    磁阻同步電機的原理
     
    異步電機中,轉子損耗大約占到電機總損耗的20~30%,而磁阻同步電機沒有轉子損耗,因此總損耗比異步電機至少低20~30%。更強的殺手锏是:制造磁阻同步電機的材料成本也比異步電機低。(見下圖)



     
     
    磁阻同步電機的驅動控制
     
    磁阻同步電機的設計和發展并非一帆風順,早期的磁阻電機采用方波驅動,轉矩脈動過大,由此帶來的振動和噪音問題難以解決。而科學家們設計的正弦波驅動方案遇到了嚴重的齒諧波轉矩脈動問題,使得磁阻同步電機的應用一度擱淺。
     
    直到1998年意大利都靈理工大學的Vagati教授通過推算,發現了一個神奇的公式,終于掃清了磁阻同步電機在技術上的最后一個障礙:
    ns — nr = ±4
     
    具體來說,就是為了將齒諧波轉矩脈動降到最低,磁阻同步電機的定子每對極槽數ns和轉子每對極槽數nr應滿足上述關系,這樣就能解決齒諧波轉矩脈動問題。(見下圖)

     

     
    Vagati還進一步規劃了磁阻同步電機的制造工藝,完全借用異步電機的定子,對轉子沖片進行了特殊設計,轉子d軸磁阻與q軸磁阻不同,根據磁阻最小原理,轉子會與定子磁場同步旋轉,角度差由負載轉矩決定。(見下圖)
       

     
     
    磁阻同步電機的商用技術
       
    由于磁阻同步電機的諸多優點,目前各大工業集團都在積極推進,磁阻同步電機已經在泵類、擠出機、壓縮機、造紙設備上有典型應用,并有快速增長之勢??梢灶A言,這將掀
    起自異步電機發明以來,業界最大的一場變革。
     
    但是,磁阻同步電機在應用中所需的開環控制技術屬于一項典型的黑科技,能夠掌握這項技術的廠商少之又少。丹佛斯(Danfoss)集團秉承46年電力驅動領先技術,在2014年成功開發了高端變頻器開環驅動磁阻同步電機的功能,成為業界為數不多的掌握磁阻同步電機變頻驅動技術的設備供應商之一。
     

     
     
    丹佛斯進一步把這個技術成功地進行了商業化應用?,F在,意大利知名泵業集團凱斯比(KSB)通過配套使用丹佛斯FC300系列變頻器,逐步采用磁阻同步電機替代傳統的異步電機驅動水泵,年平均節能可達到25%。由于磁阻同步電機的轉子不存在發熱現象,使得電機軸承的壽命大幅度延長,降低設備的維護保養成本,減少了軸承失效帶來的停機風險。
     

    目前,丹佛斯已經在FC102、FC202、FC302等系列變頻器上全面支持磁阻同步電機的驅動控制功能,在這個新領域的技術研發上居于領先地位。




     
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