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永磁同步电机是中国电机节能的首选
时间: 2019-04-07 09:48 浏览次数:
永磁电机从大类上分主要有永磁直流机(如汽车起动马达)和永磁同步机两种形式。目前所说的永磁电机绝大多数说的是交流永磁电机。 自起动永磁同步电动机在 20世纪 80年代和 90年代

永磁电机从大类上分主要有永磁直流机(如汽车起动马达)和永磁同步机两种形式。目前所说的永磁电机绝大多数说的是交流永磁电机。

自起动永磁同步电动机在 20世纪 80年代和 90年代在我国有较多的开发研究,并有了一定的生产产品。但由于这种永磁电机转子上带有类似于异步电机的鼠笼条,造成转子发热,极易使磁钢退磁;并且由于鼠笼条的存在,起动过程类似于异步电机,其起动电流是额定电流的 8~10倍,对电网的冲击较大,因而并没有得到广泛的应用。

永磁伺服电机、永磁无刷直流机与变频永磁同步电机都属于调速永磁电机。永磁伺服电机主要用于控制领域,如机器人。永磁无刷直流机与变频永磁同步电机主要用于驱动领域。随着电力电子技术的发展,电力电子控制设备成本的下降,使得调速永磁电机及其驱动系统得到了许多行业的认可。目前,调速永磁电机驱动系统以其优越的性价比而在许多行业开始取代传统的异步电机驱动和异步电机变频驱动。

1.2永磁电机发展趋势

作为动力驱动的永磁电机,由于其结构多样性,高功率密度、高转矩密度等特点使其在工业、运输、国防以及日常生活等诸多领域得以广泛应用。

主要的应用技术发展趋势有三个方面:

1)直驱技术;

2)集成技术;

3)智能控制技术。

直驱技术取消了传动链中的减速箱或增速箱等中间环节,将电机直接与负载相连,既提高了系统效率,又增加了可靠性。直驱技术在低速领域转速可低到每分钟十几转,在高速领域转速可达每分钟几十万转。

集成技术主要分两种集成方式。一个是永磁电机与变频控制集成(变频一体机);另一个是与负载集成,如滚筒电机,大大缩小了设备的体积和安装空间。

智能控制技术主要体现在电机控制的网络化、远程化,并正在逐步向远程故障诊断方向发展。

2 永磁同步电机驱动系统的特点

永磁电机驱动系统具有以下特点:

结构简单、灵活,适用于各种应用场合,尤其是特种应用(低转速、高响应、有位置控制精度要求等)

体积小、重量轻,安装简便快捷

高系统效率、高功率因数

过载能力强,零速加载,起动时间短,起动电流小,配电容量减小

控制和调节特性优越

系统可靠性提高,寿命延长

2.1结构简单、紧凑

永磁同步电机采用永磁体产生气隙磁场,即不是像换向器电动机那样用励磁线圈产生气隙磁场,也不像感应电机那样用定子电流的励磁分量产生气隙磁场,而且结构简单、损耗小、效率高。永磁同步电机可以分为表面贴装式永磁同步电机(SPM)和内埋式永磁同步电机(IPM)两种型式。

图 2-1为这两种类型 PMSM的典型剖面图。

两种类型永磁同步电机的典型切面图 (a)SPM (b)IPM

国内开发的永磁同步电机是转子铁心内部埋入永磁铁的内埋式永磁同步电机(IPM)。对 IPM电机由于永磁体埋入于转子内部,铁芯对永磁体起到了较好的保护,可有效防止离心力、腐蚀以及其他生产过程中可能出现的对永磁体的损害。IPM电机具有较强的磁场凸极性,通过控制可充分利用磁阻转矩,以获得更高的转矩输出。同时,由于凸极效应而使电机的弱磁控制范围大大增加,从而使电机的转速范围大大增加。

2.2高效率、高功率因数

永磁同步电机综合了传统异步电机与电励磁同步电机的优点,并可获得相似甚至超过直流电机的调速特性,在性能上得到了全面提升。

永磁同步电动机与异步电动机相比,不需要无功励磁电流,可以显著提高功率因数,减少定子电流和定子铜耗,而且在稳定运行时没有转子铜耗,由于总损耗的降低而减小了电机冷却系统的容量,从而减小了相应的附加损耗。因而,其效率比同规格的异步电动机提高 2~15个百分点。

永磁同步电机与异步电机的性能曲线对比

2.3动态响应与过载能力强

同步电动机比异步电动机对转矩的扰动具有更强的承受能力,能做出比较快的反应。当异步电动机的负载转矩发生变化时,要求电机的转差率也跟着变化,即电机的转速发生相应的变化,但是系统转动部分的惯性阻碍电机响应的快速性。同步电动机的负载转矩变化时,只要电机的功角做适当变化,而转速始终维持在原来的同步速不变,转动部分的惯性不会影响电机对转矩的快速响应。永磁同步电动机的最大转矩可以达到额定转矩的 3倍以上,对电机系统在负载转矩变化较大的工况下稳定运行非常有利。

永磁同步电机与异步电机的转矩曲线对比

2.4体积小与重量轻

近些年来随着高性能永磁材料的不断应用,永磁同步电动机的功率密度得到很大提高。与同转速同容量的异步电动机相比,体积和重量都有较大的减少,从而使其在许多特殊场合得到应用。

2.5可靠性高、运行维护费低

与直流电动机和电励磁同步电动机相比,永磁同步电机没有电刷,简化了结构,增加了可靠性。

直驱系统取消了减速机,减少了故障点,提高了系统可靠性。同时也降低了运行维护费用。

3永磁同步电机驱动系统的节能方式

永磁同步电机驱动系统的节能主要体现在三个方面:

1)电机本身的高效率;

2)通过调速实现工况变化;

3)简化传动链取消减速机(或增速机)。

除此之外,永磁直驱系统由于取消了减速机,因而还可在运行维护方面降低费用。

3.1电机节能和线路节能

*永磁同步电机效率高;高效区宽,电机损耗小。

*永磁同步电机功率因数高,不用进行无功补偿,可以节约因无功补偿造成的有功损耗。

*永磁同步电机电流小,线路损耗小。

3.2传动链节能

由于采用永磁同步电机直接驱动,可以省去减速机(或增速机)带来的功率损耗,机械传动效率接近100%。并可以省去附属的润滑装置和冷却装置带来的功率消耗,大大降低设备用电量。

3.3通过变速实现变工况节能

针对风机或泵类:风机或泵属于离心负载,采取永磁同步电机变频调速运行时,满足离心负载特性:流量与转速成正比,压力与转速的平方正成比,功率与转速的立方成正比,所以功率与流量的立方也成正比。风机或泵在设计选型确定后,流量调节主要是通过调节阀门或风门的开度,电机的转速和功率变化不大。在实际运行时,需求流量经常会小于设计流量,此时若通过降低转速的方式,电机实际消耗功率会大大降低(下图中粉色区域为节省的能耗)。

风机或泵变频调速节能示意图

针对皮带机和磨机:皮带机或磨机属于恒转矩负载,其功率与转速成正比,采用变频调速方式,可以让磨机始终工作在高效区。在轻载时通过降低设备转速,减小功率输出,可大大节约能源,达到节能降耗的目的,同时还能减轻皮带或磨辊的磨损。由于皮带机、磨机的负荷经常变化,如速度不能变化,既浪费了能源,又增加了皮带和磨辊的磨损,降低了使用寿命。

4永磁同步驱动系统的应用

永磁同步电动机由于转子结构极其多样,并有高精度、高可靠性、低损耗等特性,产生了特点和性能各异的许许多多品种。

在应用方面,主要有以下几个类别:


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