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永磁同步电机
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什么是同步电机
 
同步电机,和感应电机(即异步电机)一样是一种常用的交流电机。同步电机是电力系统的心脏,它是一种集旋转与静止、电磁变化与机械运动于一体,实现电能与机械能变换的元件,其动态性能十分复杂,而且其动态性能又对全电力系统的动态性能有极大影响。
 
特点是:稳态运行时,转子的转速和电网频率之间有不变的关系n=ns=60f/p,其中f为电网频率,p为电机的极对数,ns称为同步转速。若电网的频率不变,则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。同步电机分为同步发电机和同步电动机。现代发电厂中的交流机以同步发电机为主。 
 
永磁同步电机简介
 
永磁同步电动机以永磁体提供励磁,使电动机结构较为简单,降低了加工和装配费用,且省去了容易出问题的集电环和电刷,提高了电动机运行的可靠性;又因无需励磁电流,没有励磁损耗,提高了电动机的效率和功率密度。
 
永磁同步电动机由定子、转子和端盖等部件构成。定子与普通感应电动机基本相同,采用叠片结构以减小电动机运行时的铁耗。转子可做成实心,也可用叠片叠压。电枢绕组可采用集中整距绕组的,也可采用分布短距绕组和非常规绕组。
 
永磁同步电机分类
 
按励磁电流的供给方式分类
 
永磁同步电机是利用永磁体建立励磁磁场的同步电机,其定子产生旋转磁场,转子用永磁材料制成。同步电机实现能量转换需要一个直流磁场,产生这个磁场的直流电流称为电机的励磁电流。
 
他励电机:从其他电源获得励磁电流的电机。
 
自励电机:从电机本身获得励磁电流的电机。
 
按供电频率分类
 
永磁无刷电机包括永磁无刷直流电机和永磁无刷交流电机两种类型,作为电动机运行时均需变频供电。前者只需要方波型逆变器供电,后者需要正弦波型逆变器供电。
 
按气隙磁场分布分类
 
正弦波永磁同步电机:磁极采用永磁材料,输入三相正弦波电流时,气隙磁场按正弦规律分布,简称为永磁同步电机。 
梯形波永磁同步电机:磁极仍为永磁材料,但输入方波电流,气隙磁场呈梯形波分布,性能更接近于直流电机。用梯形波永磁同步电机构成的自控变频同步电机又称为无刷直流电机。
 
永磁同步电机结构
 
永磁同步电机主要由定子、转子和端盖等部件构成,定子由叠片叠压而成以减少电动机运行时产生的铁耗,其中装有三相交流绕组,称作电枢。转子可以制成实心的形式,也可以由叠片压制而成,其上装有永磁体材料。根据电机转子上永磁材料所处位置的不同,永磁同步电机可以分为突出式与内置式两种结构形式,图1给出相应的示意图。突出式转子的磁路结构简单,制造成本低,但由于其表面无法安装启动绕组,不能实现异步起动。 
 
内置式转子的磁路结构主要有径向式、切向式和混合式3种,它们之间的区别主要在于永磁体磁化方向与转子旋转方向关系的不同。图2给出3种不同形式的内置式转子的磁路结构。由于永磁体置于转子内部,转子表面便可制成极靴,极靴内置入铜条或铸铝等便可起到启动和阻尼的作用,稳态和动态性能都较好。又由于内置式转子磁路不对称,这样就会在运行中产生磁阻转矩,有助于提高电机本身的功率密度和过载能力,而且这样的结构更易于实现弱磁扩速。
 
永磁同步电机工作原理
 
当三相电流通入永磁同步电机定子的三相对称绕组中时,电流产生的磁动势合成一个幅值大小不变的旋转磁动势。由于其幅值大小不变,这个旋转磁动势的轨迹便形成一个圆,称为圆形旋转磁动势。其大小正好为单相磁动势最大幅值的1.5倍,即
 
式中,F为圆形旋转磁动势,(T・m);Fφl为单相磁动势的最大幅值,(T・m);k为基波绕组系数;p为电机极对数;N为每一线圈的串联匝数;I为线圈中流过电流的有效值,A由于永磁同步电机的转速恒为同步转速,因此转子主磁场和定子圆形旋转磁动势产生的旋转磁场保持相对静止。两个磁场相互作用,在定子与转子之间的气隙中形成一个合成磁场,它与转子主磁场发生相互作用,产生了一个推动或者阻碍电机旋转的电磁转矩Te,即
 
式中,Te为电磁转矩,(N・m);0为功率角,rad;BR为转子主磁场,T;Bnet为气隙合成磁场,T。由于气隙合成磁场与转子主磁场位置关系的不同,永磁同步电机既可以运行于电动机状态也可以运行于发电机状态,永磁同步电机的三种运行状态如图3所示。当气隙合成磁场滞后于转子主磁场时,产生的电磁转矩与转子旋转方向相反,这时电机处于发电状态;相反,当气隙合成磁场超前于转子主磁场时,产生的电磁转矩与转子旋转方向相同,这时电机处于电动状态。转子主磁场与气隙合成磁场之间的夹角称为功率角。 
 
永磁同步电机由两个关键部件组成,即一个多极化永磁转子和带有适当设计绕组的定子。在操作过程中,旋转的多极化永磁转子在转子与定子的气隙形成一个随时间变化的磁通。这个通量在定子绕组端子上产生交流电压,从而形成用于发电的基础。在此处所讨论的永磁同步电机使用一个安装在铁磁芯上的环形永磁铁。内部永磁同步电机不在这里考虑。因磁铁嵌入到一个电镀的铁磁芯内是非常困难的,通过使用适当厚度的磁铁(500μm)以及在转子和定子铁芯的高性能磁材料,气隙可以做得非常大(300~500μm)而没有明显的性能损失,这使得定子绕组在气隙中占据一定的空间,从而大大简化了永磁同步电动机的制造。
 
永磁同步电机控制方式
 
永磁同步电机恒压频比控制方法
 
永磁同步电机的恒压频比控制方法与交流感应电机的恒压频比控制方法相似,控制电机输入电压的幅值和频率同时变化,从而使电机磁通恒定,恒压频比控制方法可以适应大范围调速系统的要求。
 
在不反馈电流、电压或位置等物理信号的前提下,仍能达到一定的控制精度,这是恒压频比控制方法的最大优点。恒压频比控制方法控制算法简单、硬件成本低廉,在通用变频器领域得到了广泛应用。恒压频比控制方法的缺点也显而易见,由于在控制过程中没有反馈速度、位置或任何其他的信号,所以几乎完全不能获得电机的运行状态信息,更无法精确控制转速或电磁转矩,系统性能一般,动态响应较差,尤其在给定目标速度发生变化或者负载突变时,容易产生失步和振荡等问题。显然,该种控制方法不能分别控制转矩和励磁电流,在控制过程中容易存在较大的励磁电流,影响电机的效率。因此,此种控制方法常用于性能需求较低的通用变频器中,如空调、流水线的传送带驱动控制、水泵和风机的节能运行等。
 
永磁同步电机直接转矩控制技术
 
直接转矩控制(Direct Self-Control ,DSC)在定子静止坐标系上构建磁链和电磁转矩模型,通过施加不同的电压矢量实现电磁转矩和定子磁链的控制。直接转矩控制方法有着算法简单、转矩响应好等优点,因此,在要求高瞬态转矩响应的场合,此种方法得到了广泛应用。
 
由于控制存在固有的缺点使得直接转矩控制方法在速度较低时控制频率低,转矩脉动较大。因此减小低速时的转矩脉动也成了直接转矩控制方法中的研究热点,孙笑辉等通过优化电压矢量作用时间来减小低速时的转矩脉动,效果较好。D.casadei等人基于离散空间矢量调制技术将直接转矩控制方法应用于交流感应电机的控制中,减小了转矩脉动。
 
永磁同步电机矢量控制技术
 
矢量控制技术诞生于上世纪 70 年代初,永磁同步电机的矢量控制系统是参照直流电机的控制策略,利用坐标变换将采集到的电机三相定子电流、磁链等矢量按照转子磁链这一旋转矢量的方向分解成两个分量,一个沿着转子磁链方向,称为直轴励磁电流;另一个正交于转子磁链方向,称为交轴转矩电流。根据不同的控制目标调节励磁电流和转矩电流,进而实现对速度和转矩的精确控制,使控制系统获得良好的稳态和动态响应特性。
 
根据不同的控制目标,永磁同步电机矢量控制算法可以分为以下几种:id=0控制、最大转矩/电流控制、弱磁控制等。这些性能指标均可以通过对直轴励磁电流和交轴转矩电流的独立控制来实现。
 
永磁同步电机优点
 
永磁同步电机可以将电机整体地安装在轮轴上,形成整体直驱系统,即一个轮轴就是一个驱动单元,省去了一个齿轮箱。永磁同步电机的优点如下:
 
永磁同步电机本身的功率效率高以及功率因数高;
 
永磁同步电机发热小,因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小;
 
系统采用全封闭结构,无传动齿轮磨损、无传动齿轮噪声,免润滑油、免维护;
 
永磁同步电机允许的过载电流大,可靠性显著提高;
 
整个传动系统重量轻,簧下重量也比传统的轮轴传动的轻,单位重量的功率大;
 
由于没有齿轮箱,可对转向架系统随意设计:如柔式转向架、单轴转向架,使列车动力性能大大提高。
 
由于采用了永磁材料磁极,特别是采用了稀土金属永磁体(如钕铁硼等),其磁能积高,可得到较高的气隙磁通密度,因此在容量相同时,电机的体积小、重量轻。 [4] 
转子没有铜损和铁损,也没有集电环和电刷的摩擦损耗,运行效率高。
 
转动惯量小,允许的脉冲转矩大,可获得较高的加速度,动态性能好,结构紧凑,运行可靠。
 
什么是永磁同步电动机
 
永磁同步电动机具有结构简单,体积小、效率高、功率因数高等优点。永磁同步电动机已经在冶金行业(炼铁厂和烧结厂等)、陶瓷行业(球磨机)、橡胶行业(密炼机)、石油行业(抽油机)、纺织行业(倍捻机、细纱机)等行业的中、低压电动机中获得业绩,并逐步积累设计和运行经验。
 
分类
 
按照永磁体结构分类:表面永磁同步电动机(SPMSM)、内置式永磁同步电动机(IPMSM)。
 
按照定子绕组感应电势波形分类:正弦波永磁同步电动机、无刷永磁直流电动机。
 
结构
 
永磁同步电动机(英文名称为permanent mag⁃net synchronous motor,简称PMSM)主要是由转子、端盖及定子等各部件组成。永磁同步电动机的定子结构与普通的感应电动机的结构非常相似,转子结构与异步电动机的最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极,根据在转子上安放永磁体的位置的不同,永磁同步电动机通常被分为表面式转子结构和内置式转子结构。
 
永磁体的放置方式对电动机性能影响很大。表面式转子结构—永磁体位于转子铁芯的外表面,这种转子结构简单,但产生的异步转矩很小,仅适合于启动要求不高的场合,很少应用。内置式转子结构—永磁体位于鼠笼导条和转轴之间的铁芯中,启动性能好,绝大多数永磁同步电动机都采用这种结构。
 
永磁同步电动机工作原理
 
永磁同步电动机的启动和运行是由定子绕组、转子鼠笼绕组和永磁体这三者产生的磁场的相互作用而形成。电动机静止时,给定子绕组通入三相对称电流,产生定子旋转磁场,定子旋转磁场相对于转子旋转在笼型绕组内产生电流,形成转子旋转磁场,定子旋转磁场与转子旋转磁场相互作用产生的异步转矩使转子由静止开始加速转动。在这个过程中,转子永磁磁场与定子旋转磁场转速不同,会产生交变转矩。
 
当转子加速到速度接近同步转速的时候,转子永磁磁场与定子旋转磁场的转速接近相等,定子旋转磁场速度稍大于转子永磁磁场,它们相互作用产生转矩将转子牵入到同步运行状态。在同步运行状态下,转子绕组内不再产生电流。此时转子上只有永磁体产生磁场,它与定子旋转磁场相互作用,产生驱动转矩。
 
由此可知,永磁同步电动机是靠转子绕组的异步转矩实现启动的。启动完成后,转子绕组不再起作用,由永磁体和定子绕组产生的磁场相互作用产生驱动转矩。
 
永磁同步电动机工作方式
 
发电机获得励磁电流的几种方式
 
1、直流发电机供电的励磁方式
 
  这种励磁方式的发电机具有专用的直流发电机,这种专用的直流发电机称为直流励磁机,励磁机一般与发电机同轴,发电机的励磁绕组通过装在大轴上的滑环及固定电刷从励磁机获得直流电流。这种励磁方式具有励磁电流独立,工作比较可靠和减少自用电消耗量等优点,是过去几十年间发电机主要励磁方式,具有较成熟的运行经验。缺点是励磁调节速度较慢,维护工作量大,故在10MW以上的机组中很少采用。
 
2、交流励磁机供电的励磁方式
 
  现代大容量发电机有的采用交流励磁机提供励磁电流。交流励磁机也装在发电机大轴上,它输出的交流电流经整
流后供给发电机转子励磁,此时,发电机的励磁方式属他励磁方式,又由于采用静止的整流装置,故又称为他励静止励磁,交流副励磁机提供励磁电流。交流副励磁机可以是永磁测量装置机或是具有自励恒压装置的交流发电机。为了提高励磁调节速度,交流励磁机通常采用100——200HZ的中频发电机,而交流副励磁机则采用400——500HZ的中频发电机。这种发电机的直流励磁绕组和三相交流绕组都绕在定子槽内,转子只有齿与槽而没有绕组,像个齿轮,因此,它没有电刷,滑环等转动接触部件,具有工作可靠,结构简单,制造工艺方便等优点。缺点是噪音较大,交流电势的谐波分量也较大。
 
3、无励磁机的励磁方式
 
  在励磁方式中不设置专门的励磁机,而从发电机本身取得励磁电源,经整流后再供给发电机本身励磁,称自励式静止励磁。自励式静止励磁可分为自并励和自复励两种方式。自并励方式它通过接在发电机出口的整流变压器取得励磁电流,经整流后供给发电机励磁,这种励磁方式具有结简单,设备少,投资省和维护工作量少等优点。自复励磁方式除设有整流变压外,还设有串联在发电机定子回路的大功率电流互感器。这种互感器的作用是在发生短路时,给发电机提供较大的励磁电流,以弥补整流变压器输出的不足。这种励磁方式具有两种励磁电源,通过整流变压器获得的电压电源和通过串联变压器获得的电流源。
 
永磁同步电动机优点
 
1、损耗低、温升低
 
由于永磁同步电动机的磁场是由永磁体产生的,从而避免通过励磁电流来产生磁场而导致的励磁损耗,即铜耗;转子运行无电流,显著降低电动机温升,在相同负载情况下温升低20K以上。
 
2、功率因数高
 
永磁同步电动机功率因数高,且与电动机级数无关,电动机满负载时功率因数接近1,这样相比异步电动机,其电动机电流更小,相应地电动机的定子铜耗更小,效率也更高。而异步电动机随着电动机级数的增加,功率因数越来越低。而且,因为永磁同步电动机功率因数高,电动机配套的电源(变压器)容量理论上是可以降低,同时可以降低配套的开关设备和电缆等规格。
 
3、效率高
 
相比异步电动机,永磁同步电动机在轻载时效率值要高很多,其高效运行范围宽,在25%~120%范围内效率大于90%,永磁同步电动机额定效率可达现行国标的1级能效要求,这是其在节能方面,相比异步电动机最大的一个优势。实际运行中,电动机在驱动负载时很少以满功率运行。其原因是:一方面,设计人员在电动机选型时,一般是依据负载的极限工况来确定电动机功率,而极限工况出现的机会是很少的,同时,为防止在异常工况时烧损电动机,设计时也会进一步给电动机的功率留裕量;另一方面,电动机制造商为保证电动机的可靠性,通常会在用户要求的功率基础上,进一步留一定的功率裕量。这样就导致实际运行的电动机,大多数工作在额定功率的70%以下,特别是驱动风机或泵类负载,电动机通常工作在轻载区。对异步电动机来讲,其轻载效率很低,而永磁同步电动机在轻载区,仍能保持较高的效率。
 
4、其它优势
 
永磁同步电动机还具有高启动转矩、启动时间较短、高过载能力的优点,可以根据实际轴功率降低设备驱动电动机的装机容量,节约能源同时减少固定资产的投资。永磁同步电动机控制方便,转速恒定,不随负载的波动、电压的波动而变化,只决定于频率,运行平稳可靠。由于转速严格同步,动态响应性能好,适合变频控制。永磁同步电动机的安装外形尺寸符合IEC标准,可以直接替换三相异步电动机,防护等级可以做到IP54和IP55,个别厂家还生产防爆型永磁同步电动机。
 
两者区别
 
同步电机与异步电机设计上的区别
 
同步电机和异步电机最大的区别在于它们的转子速度与定子旋转磁场是否一致,电机的转子速度与定子旋转磁场相同,叫同步电机,反之,则叫异步电机
 
另外,同步电机与异步电机的定子绕组是相同的,区别在于电机的转子结构。异步电机的转子是短路的绕组,靠电磁感应产生电流。而同步电机的转子结构相对复杂,有直流励磁绕组,因此需要外加励磁电源,通过滑环引入电流;因此同步电机的结构相对比较复杂,造价、维修费用也相对较高。
 
同步电机与异步电机无功方面的区别
 
相对于异步电机只能吸收无功,同步电机可以发出无功,也可以吸收无功!
 
同步电机与异步电机在功能、用途上的区别
 
同步电机转速与电磁转速同步,而异步电动机的转速则低于电磁转速,同步电机不论负载大小,只要不失步,转速就不会变化,异步电动机的转速时刻跟随负载大小的变化而变化。
 
同步电机的精度高、但造工复杂、造价高、维修相对困难,而异步电机虽然反应慢,但易于安装、使用,同时价格便宜。所以同步电动机没有异步电机应用广泛。
 
同步电机多应用于大型发电机,而异步电机几乎应用在电动机场合。
 

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