永磁同步電機(jī)調(diào)速原理及其礦山應(yīng)用

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技術(shù)研究

2021年第12期

2021年6月28日發(fā)布

永磁同步電機(jī)調(diào)速原理及其礦山應(yīng)用

稿件來源：變頻技術(shù)研發(fā)部吳翔

摘要：我司變頻技術(shù)研發(fā)部吳翔博士是永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速研發(fā)方面的專家，具有極高的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，幾經(jīng)約稿，吳博士專門抽出時(shí)間撰寫此文，他從永磁同步電機(jī)調(diào)速原理和在礦山應(yīng)用兩個(gè)方面著筆，理論介紹深入淺出，語言描述淺顯易懂，是我們了解永磁同步電機(jī)基礎(chǔ)原理知識(shí)以及永磁同步電機(jī)在礦山領(lǐng)域應(yīng)用方面不可多得的一篇優(yōu)秀文章。讓我們靜下心來，一起研讀學(xué)習(xí)吳博士的這篇文章吧！

在“碳達(dá)峰”和“碳中和”的新形勢(shì)下，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和智能化程度已經(jīng)成為當(dāng)前礦機(jī)裝備的發(fā)展趨勢(shì)。永磁同步電機(jī)具有高效率、高功率密度和高性能的特點(diǎn)，應(yīng)用于礦機(jī)裝備中具有突出的優(yōu)勢(shì)。本文分析了永磁同步電機(jī)的調(diào)速原理，在煤礦安全、高效、綠色、低碳、智能開采的技術(shù)背景下，介紹了永磁同步電機(jī)在礦山中的典型應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)。

永磁同步電機(jī)調(diào)速原理

當(dāng)前工業(yè)界廣泛使用的交流電機(jī)主要可以分為感應(yīng)電機(jī)、電勵(lì)磁同步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)與永磁同步電機(jī)四類。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用稀土永磁體材料，稀土永磁體的高磁能積和高矯頑力使得永磁同步電機(jī)具有體積小、重量輕、特性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)。

（1）高效率

感應(yīng)電機(jī)、電勵(lì)磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子的主要材料是銅，而電流流經(jīng)銅材料必然會(huì)產(chǎn)生熱量和損耗。而對(duì)于永磁同步電機(jī)，稀土永磁體材料自身不發(fā)熱，不產(chǎn)生損耗，因此永磁同步電機(jī)的效率較其他類型電機(jī)有大幅提高，且其高效區(qū)域廣，能夠有效克服感應(yīng)電機(jī)在低速輕載時(shí)的功率因數(shù)低與效率低的問題。

（2）高功率密度

永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用具有高磁能積和高矯頑力的稀土永磁體材料，同等功率下，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子體積和重量大幅減小，且轉(zhuǎn)子無需散熱，機(jī)械結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)的更加緊密，因此永磁同步電機(jī)具備功率密度大的優(yōu)勢(shì)，相同功率的電機(jī)，永磁同步電機(jī)的體積相對(duì)于感應(yīng)電機(jī)平均能夠減小約50%，應(yīng)用于體積受限的場(chǎng)合具有突出優(yōu)勢(shì)。

（3）高性能

永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈由永磁體產(chǎn)生，因此是固定的，無需預(yù)勵(lì)磁過程，其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)速度快、過載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)異。

另外，采用先進(jìn)的解耦矢量控制，其轉(zhuǎn)矩控制的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能能夠與直流電機(jī)相媲美。

圖1 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示為永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，主要分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有表面凸出式、表面插入式、內(nèi)置徑向式、內(nèi)置切向式與內(nèi)置混合式等，其中內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護(hù)，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電動(dòng)機(jī)的過載能力和功率密度，而且易于“弱磁”擴(kuò)速，機(jī)械性能更加穩(wěn)定。

永磁同步電機(jī)調(diào)速方法主要分為三類，即矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制與模型預(yù)測(cè)控制。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方案已經(jīng)廣泛工業(yè)應(yīng)用，直接轉(zhuǎn)矩控制主要根據(jù)磁鏈和轉(zhuǎn)矩跟蹤偏差的滯環(huán)輸出進(jìn)行電壓矢量選取，其優(yōu)點(diǎn)在于轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，但缺點(diǎn)是低速轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大。直接轉(zhuǎn)矩控制不存在坐標(biāo)變換與脈寬調(diào)制，雖然控制簡(jiǎn)單，但同時(shí)也引起了開關(guān)頻率不固定，系統(tǒng)諧波性能差的問題。獲取相同的開關(guān)頻率，直接轉(zhuǎn)矩控制器需要遠(yuǎn)大于開關(guān)頻率的中斷周期，無疑增加了計(jì)算芯片的負(fù)擔(dān)。

模型預(yù)測(cè)控制在低開關(guān)頻率控制上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，由于永磁同步電機(jī)電氣參數(shù)變化范圍大，將模型預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于永磁同步電機(jī)調(diào)速還需攻克模型誤差的校正問題，其控制魯棒性還有待提升。

矢量控制技術(shù)是指采用坐標(biāo)變換，將永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)換為類似于直流電機(jī)的磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦模型，從而實(shí)現(xiàn)與直流電機(jī)相類似的控制性能。配合電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)，具備直流電壓利用率高、可實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率恒定控制、電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、電流諧波含量小等優(yōu)點(diǎn)，且在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中通過d軸電流給定的優(yōu)化設(shè)置，可輕松實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的效率優(yōu)化控制。鑒于矢量控制的優(yōu)異性能，我公司開發(fā)的永磁同步電機(jī)相關(guān)產(chǎn)品均采用先進(jìn)的矢量控制技術(shù)。

永磁同步電機(jī)矢量控制也稱為轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制，其原理圖如圖2所示。通過坐標(biāo)變換，將d軸精確地定向在轉(zhuǎn)子永磁體N極方向。轉(zhuǎn)速環(huán)輸出為與電磁轉(zhuǎn)矩正相關(guān)的定子電流參考值，經(jīng)“MTPA+弱磁”模塊實(shí)現(xiàn)d、q軸電流的優(yōu)化分配，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域的效率優(yōu)化控制以及弱磁升速功能。

圖2 永磁同步電機(jī)矢量控制原理圖

永磁同步電機(jī)礦山典型應(yīng)用

永磁同步電機(jī)的諸多優(yōu)勢(shì)使得其在礦井提升機(jī)、礦渣立磨機(jī)、球磨機(jī)、通風(fēng)機(jī)、排水泵等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)是礦用新能源輔助運(yùn)輸裝備的發(fā)展趨勢(shì)，且采用永磁同步電機(jī)的帶式運(yùn)輸機(jī)或刮板運(yùn)輸機(jī)的低速直連改造是當(dāng)前的熱點(diǎn)。結(jié)合我公司的相關(guān)產(chǎn)品，本部分將主要介紹永磁同步電機(jī)在帶式輸送機(jī)和礦用新能源輔助運(yùn)輸裝備中的典型應(yīng)用。

1、永磁同步電機(jī)低速直驅(qū)在帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用。

永磁同步電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，易于實(shí)現(xiàn)多極，而且在很寬的負(fù)載率范圍內(nèi)都存在極高的效率和功率因數(shù)特性，永磁同步電機(jī)的定子電流中無功分量極低，所以在輸出相同功率的情況下，其定子電流顯著低于同極數(shù)、同容量異步電機(jī)，特別在高極數(shù)電機(jī)時(shí)更加明顯，可以小25%～40%，因此可使定子銅耗降低 30%～50%。由于轉(zhuǎn)子無電流通過，沒有轉(zhuǎn)子損耗，因此永磁同步電機(jī)總損耗一般要比異步電機(jī)降低 40%～60%，有著異步電機(jī)無法比擬的優(yōu)勢(shì)。所以，低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)為取消減速機(jī)，實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)提供了可能性。永磁同步電機(jī)低速直驅(qū)帶式輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

圖3 永磁同步電機(jī)低速直驅(qū)帶式輸送機(jī)

永磁同步電機(jī)在低速直驅(qū)帶式輸送機(jī)中的應(yīng)用具備以下突出優(yōu)勢(shì)：

（1）安全可靠

① 無減速系統(tǒng)，傳動(dòng)鏈縮短，系統(tǒng)運(yùn)行的更加平穩(wěn)，振動(dòng)更小、噪音更低，可靠性更高；

② 無齒輪傳動(dòng)，機(jī)械磨損造成的損耗得到了有效控制，壽命更長；

③ 變頻啟動(dòng)，無沖擊，有效解決皮帶機(jī)動(dòng)態(tài)張力波對(duì)皮帶和設(shè)備造成的傷害；

④ 永磁同步電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)異，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可以較好解決長距離、大運(yùn)量皮帶機(jī)的多驅(qū)功率平衡問題；

⑤ 變頻器匹配電抗器和濾波裝置，不會(huì)污染電網(wǎng)和干擾其他設(shè)備的正常工作；

⑥ 部件數(shù)量減少，安裝更方便。

（2）免維護(hù)

① 無減速系統(tǒng)及附屬的液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，維護(hù)難度降低，維護(hù)量減少，維護(hù)成本降低；

② 維護(hù)周期延長，停機(jī)時(shí)間減少，系統(tǒng)能夠持續(xù)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)效率提高。

（3）高效節(jié)能

① 無減速系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)效率接近100%；

② 電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，無需勵(lì)磁，損耗小，效率高；

③ 無減速系統(tǒng)附屬的冷卻及液壓系統(tǒng)，附屬設(shè)備用電量小。

④ 高效區(qū)廣，永磁電機(jī)在120%額定負(fù)載范圍內(nèi)效率高。在效率上，不但在額定點(diǎn)有了提高，而且在低負(fù)載、低速條件下，更是優(yōu)勢(shì)明顯。

當(dāng)前我公司開發(fā)的1140V與3300V電壓等級(jí)的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已在多個(gè)煤礦現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明我公司所開發(fā)的永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具備以下優(yōu)勢(shì)：

（1）采用三電平結(jié)構(gòu)，du/dt減小50%、電磁干擾小、輸出諧波??；

（2）具備先進(jìn)的參數(shù)自學(xué)習(xí)與自整定功能，調(diào)試簡(jiǎn)便；

（3）高精度轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)算法：采用自主開發(fā)的新型轉(zhuǎn)子位置估算策略，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置的高精度檢測(cè)，初始位置檢測(cè)精度±1度；

（4）采用最大轉(zhuǎn)矩電流比MTPA控制：通過合理分配d、q軸電流以充分利用磁阻轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)相同輸出轉(zhuǎn)矩下電機(jī)的定子電流最小，從而降低電機(jī)銅損耗與逆變器損耗，進(jìn)一步提高系統(tǒng)效率。

（5）內(nèi)嵌先進(jìn)弱磁控制算法，能夠在因進(jìn)線電壓波動(dòng)而導(dǎo)致直流母線電壓跌落的情況下實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，保證生產(chǎn)效率。

（6）全速域無位置傳感器控制：集成先進(jìn)的全速域無位置傳感器控制算法，實(shí)現(xiàn)零、低速與中高速情況下的高精度轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速觀測(cè)。

（7）皮帶機(jī)啟動(dòng)平順，重載起動(dòng)性能優(yōu)異，可實(shí)現(xiàn)多機(jī)功率平衡控制。

圖4 3300V帶式輸送機(jī)用大功率防爆變頻器

2、基于永磁同步電機(jī)的礦山新能源輔助運(yùn)輸裝備。

礦山輔運(yùn)裝備包括調(diào)度絞車、無極繩絞車、單軌吊掛機(jī)車、窄軌機(jī)車、普通軌膠套輪機(jī)車、無軌膠輪機(jī)車等。采用以磷酸鐵鋰為代表的新能源電池作為供電裝置，能夠克服柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)帶來的環(huán)境污染問題，改善工人工作環(huán)境，能夠克服鉛酸電池能量密度低、維護(hù)困難以及“鉛污染”問題。