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工控行業(yè)最新黑科技-磁阻同步電機的驅動(dòng)控制

時(shí)間：2018-09-18    作者：津信變頻    點(diǎn)擊：次
電機作為重要的動(dòng)力設備之一，廣泛應用于民用和工業(yè)用途。其中交流電機由于制造便宜、結構簡(jiǎn)單、維護容易，在工農業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、商業(yè)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(lái)
 
交流電機可以分為同步電機和異步電機兩種。在沒(méi)有交流電子調速技術(shù)的年代里，電機的工頻啟動(dòng)電流都很大，同步電機啟動(dòng)電流約為額定值的10~20倍，異步電機的啟動(dòng)電流也要達到額定的5~7倍。由于同步電機啟動(dòng)電流太高，當時(shí)在技術(shù)上很難實(shí)現同步電機工頻直接啟動(dòng)，因此交流驅動(dòng)電機幾乎全為異步電機。但是異步電機最大的缺點(diǎn)在于轉子銅耗與鐵耗較大，降低了運行能效。

伴隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，現代交流驅動(dòng)器能很方便地解決交流電機的啟動(dòng)問(wèn)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(dòng)領(lǐng)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(lái)說(shuō)說(shuō)永磁同步電機，20世紀80年代發(fā)明的釹鐵硼稀土永磁材料加速了永磁同步電機的技術(shù)成熟。能效高、體積小、過(guò)載能力強、響應速度快等特點(diǎn)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(jià)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(jìn)入了人們的視野。
 
其實(shí)磁阻同步電機的理論模型早在1923年就被提出來(lái)了。只是當時(shí)缺乏實(shí)現的條件而漸漸被遺忘了。當所有的技術(shù)障礙都有成熟解決方案的時(shí)候，磁阻同步電機又從沉睡中被喚醒了，其優(yōu)勢在于保持了同步電機一貫的節能高效的同時(shí)，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(méi)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(jiàn)下圖）



 
 
磁阻同步電機的驅動(dòng)控制
 
磁阻同步電機的設計和發(fā)展并非一帆風(fēng)順，早期的磁阻電機采用方波驅動(dòng)，轉矩脈動(dòng)過(guò)大，由此帶來(lái)的振動(dòng)和噪音問(wèn)題難以解決。而科學(xué)家們設計的正弦波驅動(dòng)方案遇到了嚴重的齒諧波轉矩脈動(dòng)問(wèn)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(xué)的Vagati教授通過(guò)推算，發(fā)現了一個(gè)神奇的公式，終于掃清了磁阻同步電機在技術(shù)上的最后一個(gè)障礙：
ns — nr = ±4
 
具體來(lái)說(shuō)，就是為了將齒諧波轉矩脈動(dòng)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(mǎn)足上述關(guān)系，這樣就能解決齒諧波轉矩脈動(dòng)問(wèn)題。（見(jiàn)下圖）

 
 
Vagati還進(jìn)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(jìn)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(huì )與定子磁場(chǎng)同步旋轉，角度差由負載轉矩決定。（見(jiàn)下圖）
   
 
 
磁阻同步電機的商用技術(shù)
   
由于磁阻同步電機的諸多優(yōu)點(diǎn)，目前各大工業(yè)集團都在積極推進(jìn)，磁阻同步電機已經(jīng)在泵類(lèi)、擠出機、壓縮機、造紙設備上有典型應用，并有快速增長(cháng)之勢?？梢灶A言，這將掀起自異步電機發(fā)明以來(lái)，業(yè)界最大的一場(chǎng)變革。
 
但是，磁阻同步電機在應用中所需的開(kāi)環(huán)控制技術(shù)屬于一項典型的黑科技，能夠掌握這項技術(shù)的廠(chǎng)商少之又少。丹佛斯（Danfoss）集團秉承46年電力驅動(dòng)領(lǐng)先技術(shù)，在2014年成功開(kāi)發(fā)了高端變頻器開(kāi)環(huán)驅動(dòng)磁阻同步電機的功能，成為業(yè)界為數不多的掌握磁阻同步電機變頻驅動(dòng)技術(shù)的設備供應商之一。
 
 
 
丹佛斯進(jìn)一步把這個(gè)技術(shù)成功地進(jìn)行了商業(yè)化應用?，F在，意大利知名泵業(yè)集團凱斯比（KSB）通過(guò)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(dòng)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(fā)熱現象，使得電機軸承的壽命大幅度延長(cháng)，降低設備的維護保養成本，減少了軸承失效帶來(lái)的停機風(fēng)險。
 
目前，丹佛斯已經(jīng)在FC102、FC202、FC302等系列變頻器上全面支持磁阻同步電機的驅動(dòng)控制功能，在這個(gè)新領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)上居于領(lǐng)先地位。




 
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