國(guó)傳電氣技術(shù)交流

產(chǎn)品技術(shù)

2023年06月26日發(fā)布

導(dǎo)讀：永磁同步電機(jī)是近些年電機(jī)研發(fā)的主要方向，因其與其它類型電機(jī)較為突出的優(yōu)勢(shì)而被行業(yè)所推崇。

       吳翔博士是永磁同步電機(jī)電控系統(tǒng)方面的專家，其研發(fā)能力和專業(yè)學(xué)術(shù)造詣是公司變頻研發(fā)部的佼佼者。今天，吳博士為大家詳盡介紹了永磁同步電機(jī)發(fā)展及其礦山應(yīng)用方面的知識(shí)，讓我們來共同學(xué)習(xí)。

       電壓源型交-直-交型變換器成為礦山電力傳動(dòng)中的主流，其中包含以下幾個(gè)方面：

一、低壓小功率場(chǎng)合：兩電平拓?fù)錇榇?，如蓄電池電機(jī)車等。

二、中壓大功率場(chǎng)合：三電平拓?fù)錇榇恚绱蠊β实V井提升機(jī)等。

三、高壓大功率場(chǎng)合：級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)錇榇?，?/10kV礦井通風(fēng)機(jī)等。

永磁同步機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

       兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型中電感值隨轉(zhuǎn)子位置有規(guī)律變化，是無位置傳感器控制的理論依據(jù)。

永磁電機(jī)空間矢量圖

       兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)潔，耦合程度低，是永磁電機(jī)高性能控制的理論基礎(chǔ)。

一、低速直聯(lián)永磁同步電機(jī)大功率礦山電力傳動(dòng)方面

       永磁同步電機(jī)與傳統(tǒng)異步電機(jī)比較存在以下的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

       低速異步電動(dòng)機(jī)極數(shù)較多，勵(lì)磁電流占比例大，輕載電流大，效率和功率因數(shù)低。電機(jī)極數(shù)越多，則勵(lì)磁電流分量越大，對(duì)于大于 20 極的電機(jī)，勵(lì)磁電流與有功電流之比值一般在 0.95:1～1.25:1 之間，因此其功率因數(shù)很低（0.62～0.72），尤其在輕載時(shí)，由于合成的定子電流增加很多，造成定子銅損耗很大，大大降低了電機(jī)的效率。

永磁電機(jī)低速直聯(lián)優(yōu)勢(shì)

       永磁電機(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)都存在很好的效率和功率因數(shù)特性，永磁同步電機(jī)由于其勵(lì)磁是由永久磁鐵來實(shí)現(xiàn)的，不需要定子額外提供勵(lì)磁電流。因而電機(jī)的功率因數(shù)可以做得相當(dāng)高（理論上可以達(dá)到 1）。定子電流由于無功分量極低，所以定子電流也顯著低于同極數(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。與電勵(lì)磁同步電機(jī)相比，由于無需勵(lì)磁電流，損耗更小。

1、低速直聯(lián)永磁同步電機(jī)大功率提升機(jī)

       與其他電機(jī)的低速直聯(lián)傳動(dòng)方式相比，永磁同步機(jī)的效率一般在97%以上，高于其他類型電機(jī)，具有效率高，過載能力大、體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、省維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

       永磁電機(jī)控制性能優(yōu)異，能夠?qū)崿F(xiàn)零速懸停、提升鋼絲繩自適應(yīng)張力補(bǔ)償與電氣精準(zhǔn)停車，有利于解決啟停溜罐等安全隱患。

2、低速直聯(lián)永磁電機(jī)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)

皮帶機(jī)大功率防爆變頻器

該系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：

1）防爆變頻器與防爆電機(jī)距離遠(yuǎn)，采用高精度全速域無位置傳感器控制；

2）具備零速滿轉(zhuǎn)矩輸出特性，可以實(shí)現(xiàn)重載起動(dòng)；

具備低速驗(yàn)帶功能；

3）矢量控制，雙閉環(huán)（速度環(huán)、電流環(huán)）調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多驅(qū)動(dòng)功率平衡；

4）實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)的“S”曲線起動(dòng)、停車，并可根據(jù)負(fù)載調(diào)整皮帶運(yùn)行速度；

5）采用四象限運(yùn)行方式能解決下運(yùn)制動(dòng)及緊急停車問題。

低速直聯(lián)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)

與傳統(tǒng)電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)低速直聯(lián)方案在皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)：

1）安全可靠

      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；

       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(zhǎng)；

       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；

       永磁電機(jī)可控性好，可以較好解決長(zhǎng)距離、大運(yùn)量皮帶機(jī)的多驅(qū)功率平衡問題；

       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；

        部件數(shù)量減少，安裝更方便。

2）免維護(hù)

　    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；       

       維護(hù)周期延長(zhǎng)，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

       無減速系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)效率接近100%；

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

       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。

        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。

三種皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)方式系統(tǒng)配置及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

3、低速直聯(lián)永磁電機(jī)刮板輸送系統(tǒng)

4、低速直聯(lián)永磁電機(jī)采煤機(jī)

其特點(diǎn)如下：

1）永磁電機(jī)體積小，減小采煤機(jī)體積，簡(jiǎn)化機(jī)身結(jié)構(gòu)。

2）克服異步電機(jī)轉(zhuǎn)速高，扭矩小，造成截割電機(jī)與滾筒之間的   傳動(dòng)鏈長(zhǎng)的問題，減小系統(tǒng)機(jī)械故障率。

3）永磁電機(jī)控制性能優(yōu)異，提高采煤機(jī)截割能力。

4.）損耗小，效率高。

二、基于永磁同步電機(jī)的礦山新能源輔運(yùn)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。

礦山新能源輔運(yùn)裝備電控系統(tǒng)

      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。

自主研制的80kW單軌吊機(jī)車驅(qū)動(dòng)控制器

永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)有如下優(yōu)勢(shì)：

1）功率密度高，減小礦車重量，占用體積小。

2）調(diào)速范圍廣，可實(shí)現(xiàn)直驅(qū)，可靠性高。

3）高效區(qū)寬，提高續(xù)航里程。

4）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪音小。

自主開發(fā)的200kW車載逆變器樣機(jī)

三、永磁同步電機(jī)礦山應(yīng)用需要注意的問題

永磁電機(jī)在礦山應(yīng)用中也需要注意以下幾個(gè)方面的額問題：

1、初期成本高

       由于稀土永磁目前的價(jià)格還比較貴，稀土永磁電機(jī)的成本一般比電勵(lì)磁電機(jī)高 ，這需要用它的高性能和運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省來補(bǔ)償。

2、反電動(dòng)勢(shì)問題

      永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)永磁電機(jī)處于高速狀態(tài)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)較大，對(duì)于兩相限系統(tǒng)，在電機(jī)控制不當(dāng)或失控時(shí)，會(huì)對(duì)直流母線電容反向充電，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞直流母線電容與功率器件。

       因此，永磁同步電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性問題是系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。

3、參數(shù)敏感性問題

       永磁同步電機(jī)的參數(shù)受溫度、電機(jī)運(yùn)行電流等外界因素的影響較大，而傳統(tǒng)控制方法的控制參數(shù)設(shè)計(jì)和電機(jī)參數(shù)相關(guān)，如何在永磁電機(jī)參數(shù)大范圍變化的條件下實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定性、高效率、高魯棒性、寬調(diào)速范圍的先進(jìn)控制是目前難點(diǎn)之一。

4、不可逆退磁問題

       如果設(shè)計(jì)或使用不當(dāng)，永磁同步電機(jī)在過高(釹鐵硼永磁)或過低(鐵氧體永磁)溫度時(shí)，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械振動(dòng)時(shí)有可能產(chǎn)生不可逆退磁，或叫失磁，使電機(jī)性能下降，甚至無法使用。

       目前，在大功率傳動(dòng)場(chǎng)合，在電機(jī)永磁體在三相短路（電機(jī)電流沖擊最大）、退磁風(fēng)險(xiǎn)最大時(shí)，要求磁鋼退磁每10年退磁率<1%，而且抗退磁溫度要遠(yuǎn)高于三相短路情況下退磁溫度，因此，既要研究開發(fā)適用于電機(jī)制造廠使用的檢查永磁材料熱穩(wěn)定性的方法和裝置，又要分析各種不同結(jié)構(gòu)型式的抗去磁能力，以便設(shè)計(jì)和制造時(shí)，采用相應(yīng)措施解決永磁電機(jī)退磁問題，增加永磁電機(jī)使用壽命。

  （本稿件由國(guó)傳電氣（原中礦傳動(dòng)）市場(chǎng)部整理編輯，經(jīng)國(guó)傳電氣技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)審核授權(quán)發(fā)布?。?/span>

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