一、同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用
在交流電網(wǎng)上，人們還廣泛使用著交流異步電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)工作機(jī)械。交流異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可*、壽命長(zhǎng)、成本低，保養(yǎng)維護(hù)簡(jiǎn)便。但是，與直流電動(dòng)機(jī)相比，它調(diào)速性能差，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，過載能力和效率低。其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生需從電網(wǎng)吸取無功功率，故功率因素低，輕載時(shí)尤甚，這大增加了線路和電網(wǎng)的損耗。長(zhǎng)期以來，在不要求調(diào)速的場(chǎng)合，例如風(fēng)機(jī)、水泵、普通機(jī)床的驅(qū)動(dòng)中，異步電動(dòng)機(jī)占有主導(dǎo)地位，當(dāng)然這類拖動(dòng)中，無形中損失了大量電能。 過去的電力拖動(dòng)中，很少采用同步電動(dòng)機(jī)，其主要原因是同步電動(dòng)機(jī)不能在電網(wǎng)電壓下自行起動(dòng)，靜止的轉(zhuǎn)子磁極在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，平均轉(zhuǎn)矩為零。電機(jī)很難啟動(dòng)。自70年代以來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動(dòng)了同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用，主要的原因有： 1、 高性能永磁材料的發(fā)展。
80年代初釹鐵硼稀土永磁材料的出現(xiàn)，它具有高的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度，高的矯頑力，高的磁能積，這些特點(diǎn)特別適合在電機(jī)中使用。它們不足是溫度系數(shù)大，居里點(diǎn)低，容易氧化生銹而需涂復(fù)處理。經(jīng)過這幾年的不斷改進(jìn)提高，這些缺點(diǎn)大多已經(jīng)克服，現(xiàn)釹鐵硼永磁材料最高的工作溫度已可達(dá)180℃
2、電力電子技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)了永磁同步電動(dòng)機(jī)的開發(fā)應(yīng)用。 70年代出現(xiàn)了通用變頻器的系列產(chǎn)品，可將工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率連續(xù)可調(diào)的變頻電源，這就為交流電機(jī)的變頻調(diào)速創(chuàng)造了條件。這些變頻器在頻率設(shè)定后都有軟起動(dòng)功能，頻率會(huì)以一定速率從零上升設(shè)定的頻率，而且此上升速率可以在很大的范圍任意調(diào)整，這對(duì)同步電動(dòng)機(jī)而言就是解決了起動(dòng)問題
3、 規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展完全改觀了現(xiàn)代永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制，集成電路和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)起到了重要的推動(dòng)作用。
二、稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子為三相對(duì)稱繞組，與三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相同。轉(zhuǎn)子上粘有釹鐵硼（NdFeB）磁鋼。驅(qū)動(dòng)器為交-直-交電壓型逆變器，通過正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）輸出頻率、電壓可變的三相正弦波電壓。
同步電動(dòng)機(jī)的基本控制原理
三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對(duì)稱三相正弦波電流，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角速度ω1=2πf/p,其中p為電動(dòng)機(jī)對(duì)數(shù)。這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與已充磁的磁極作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)并力圖使定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線對(duì)齊。當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線將落后定子磁場(chǎng)軸線一個(gè)θ功率角，負(fù)載愈大，θ也愈大，直到一個(gè)極限角度θm，電動(dòng)機(jī)失步為止。由此可見：同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，要么轉(zhuǎn)速與頻率嚴(yán)格成比例旋轉(zhuǎn)，否則就失步停轉(zhuǎn)。所以，它的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步。它的靜態(tài)誤差為零；在負(fù)載擾動(dòng)下，只是功率角θ變化，而不引起轉(zhuǎn)速變化，它的響應(yīng)時(shí)間是實(shí)時(shí)的。這是其它調(diào)速系統(tǒng)做不到的。
交流同步電動(dòng)機(jī)它的轉(zhuǎn)速與電源頻率完全成正比。
Ns=60f／p (r／min)
式中 f-電源頻率；
p-極對(duì)數(shù)；
Ns-同步轉(zhuǎn)速。
而交流異步電動(dòng)機(jī)，它與同步電動(dòng)機(jī)的區(qū)別在于：轉(zhuǎn)速與電源頻率不成正比，其轉(zhuǎn)速始終比同步電動(dòng)機(jī)還要低，其轉(zhuǎn)差率S為：
N=(1-s)Ns (r／min)
S=(Ns-N)／Ns·100％
稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)輿專用永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器（變頻器）配套構(gòu)成機(jī)電一體化產(chǎn)品。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n輿設(shè)定頻率f按n= 關(guān)系不變。負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化只會(huì)起功率角的實(shí)時(shí)變化，卻不會(huì)引起轉(zhuǎn)速變化，靜、動(dòng)態(tài)指針理想。由于不需要從電網(wǎng)吸收無功電流，轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以它在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)能保持接近于1的功率因子，其效率比同容量的異步電動(dòng)機(jī)提高8%左右，力能指針（ η×cosφ ）提高18%左右。稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率密度比同容量異步電動(dòng)機(jī)提高15%左右。 稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的基頻一般設(shè)定位50、100、150Hz,這樣可以降低成本，使其性能價(jià)格比遠(yuǎn)高于普通異步電動(dòng)機(jī)加變頻器
同步電動(dòng)機(jī)具有以下主要性能：
(1)調(diào)速精度高、調(diào)速度誤差在1／30000，提高了應(yīng)用行業(yè)產(chǎn)品的制造工藝水平；避免了
(2)調(diào)速范圍寬，20HZ-100HZ。
(3)控制簡(jiǎn)便、可*性高，電機(jī)采用開環(huán)控制，使得整個(gè)變頻控制系統(tǒng)可*性提高、價(jià)格降低；
(4)高效率、功率因數(shù)高達(dá)0．95以上；
(5該系列電機(jī)與變頻控制、計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)組成全自動(dòng)調(diào)速控制系統(tǒng)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的其它類調(diào)速電機(jī)；
(6)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩輸出和轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載波動(dòng)的特性。通過變頻器有效控制，可使其輸出轉(zhuǎn)速保持恒定。
三、 永磁同步電動(dòng)機(jī)在紡織行業(yè)中的應(yīng)用
紡織行業(yè)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)常用的有交流異步電動(dòng)機(jī)、有刷直流電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)（包括無刷直流電動(dòng)機(jī)）三大類
1、 定速驅(qū)動(dòng) 紡織行業(yè)中有大量的生產(chǎn)機(jī)械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運(yùn)行 對(duì)這類機(jī)械以往大多采用三相或單相異步電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)成本較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢*，維修方便，很適合該類機(jī)械的驅(qū)動(dòng)。但是，異步電動(dòng)機(jī)效率、功率因數(shù)低、損耗大，而該類電機(jī)使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費(fèi)了。 �！ �2、 調(diào)速驅(qū)動(dòng) 紡織行業(yè)中有相當(dāng)多的工作機(jī)械，其運(yùn)行速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但速度控制精度要求并不非常高。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在紡織行業(yè)中通常采用齒輪傳動(dòng)，通過齒輪變換工藝的設(shè)備如：FA506 FA507環(huán)錠細(xì)紗機(jī)，F(xiàn)A1603氣流紡，KV505牽伸加捻機(jī)等。但這些設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故障率較高，維修難度大。
由于采用齒輪傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故障率較高，維修難度大，也就使同步電機(jī)在紡織行業(yè)的應(yīng)用顯得很有意義。利用同步電機(jī)的調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬、 控制簡(jiǎn)便、效率高的特點(diǎn)，將原有的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為同步電機(jī)傳動(dòng)，可使原有的傳動(dòng)系統(tǒng)十分簡(jiǎn)潔，更改工藝無需變換齒輪，只需修改控制器的參數(shù)就可以，由于采用同步電機(jī)傳動(dòng)，取消了齒輪箱，有齒輪箱產(chǎn)生的如漏油、齒輪磨損、等一系列問題也就迎刃而結(jié)。具體做法就是將同步電機(jī)通過法蘭或底座安裝在傳動(dòng)軸附近通過同步齒形帶傳動(dòng)。這種傳動(dòng)方式在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)羅拉的傳動(dòng)，主軸電機(jī)的傳動(dòng)以及在氣流紡的應(yīng)用效果都很不錯(cuò)。下面我就以同步電機(jī)在轉(zhuǎn)杯氣流紡紗機(jī)中的應(yīng)用為例子對(duì)同步電機(jī)在紡織行業(yè)的具體應(yīng)用作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。
傳統(tǒng)的氣流紡紗機(jī)車頭傳動(dòng)系統(tǒng)采用一臺(tái)車頭電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)齒輪箱傳動(dòng)機(jī)器兩側(cè)的引紗卷繞和喂棉羅拉，現(xiàn)在市場(chǎng)銷售不錯(cuò)的大卷裝氣流紡紗機(jī)為了更改工藝方便，也只是將引紗和喂棉的傳動(dòng)分別用兩臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)，但仍保留齒輪箱。因此一直有一個(gè)問題無法解決，就是齒輪箱漏油，齒輪磨損，可*性差，維修不方便等問題。有許多工程師也想出了利用四臺(tái)變頻電機(jī)分別傳動(dòng)兩側(cè)的引紗和喂棉羅拉省去了齒輪箱。解決了齒輪箱漏油，齒輪磨損，可*性差，維修不方便等問題，但又帶來了新問題，由于異步電機(jī)存在轉(zhuǎn)差，就是異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是隨著負(fù)載的變化而變化，變化幅度在紡機(jī)上經(jīng)實(shí)測(cè)達(dá)3％。這就造成了大紗和小紗時(shí)的紗線支數(shù)不同，而且兩臺(tái)相同的電機(jī)也存在轉(zhuǎn)速差異。使左右側(cè)的紗線支數(shù)差異較大，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。
氣流紡紗機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)的要求可以概括為："三高"和"一少"。：
高同步性(一臺(tái)紡紗機(jī)不同紡位的電機(jī)轉(zhuǎn)速要求橫向轉(zhuǎn)速一致，縱向比例同步)；
高精確性(轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，精確度)；
高可*性(至少保證一年安全連續(xù)運(yùn)行8000h)。
少維修或免維修。
由于同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速精度僅決定于供電頻率精度，與負(fù)荷變化無關(guān)。為了保證纖維的纖度均勻，采用了高精度的變頻調(diào)速器和永磁式同步電動(dòng)機(jī)，無需采用閉環(huán)控制，就可以保證電機(jī)轉(zhuǎn)速精度達(dá)到0.1％~0.01％水平。因此很好的解決了氣流紡紗機(jī)對(duì)電氣傳動(dòng)的要求高的難題。
控制回路圖
永磁同步電動(dòng)機(jī)與變頻器的配合中，關(guān)鍵是個(gè)壓頻比的問題。通用變頻器根據(jù)不同的電機(jī)特性可以設(shè)置不同的壓頻比。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)不在自己的運(yùn)行曲線下，電機(jī)將發(fā)生下列現(xiàn)象(1)不能啟動(dòng)；(2)電流增大；(3)噪音；(4)振動(dòng)；(5)溫升過高等問題,一定要認(rèn)真設(shè)置。
我門在一家紡織企業(yè)經(jīng)過實(shí)際測(cè)試在引紗變頻頻率為40.1HZ時(shí)，采用異步電機(jī)傳動(dòng)和采用同步電機(jī)傳動(dòng)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見下表。
電機(jī)類型 左側(cè)引紗空載 右側(cè)引紗空載 左側(cè)引紗帶負(fù)載 右側(cè)引紗帶負(fù)載
同步電機(jī) 802 802 802 802
異步電機(jī) 781 752 743 711
從表中可以得出結(jié)論永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速性能大大優(yōu)于異步電機(jī)
四、 永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景
由于電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)亦已成熟并日趨完善。以往同步電動(dòng)機(jī)的概念和應(yīng)用范圍已被當(dāng)今的觀念大大擴(kuò)展�？梢院敛豢鋸埖卣f，永磁同步電動(dòng)機(jī)已在從小到大，從一般控制驅(qū)動(dòng)到高精度的伺服驅(qū)動(dòng)，從人們?nèi)粘Ｉ畹礁鞣N高精尖的科技領(lǐng)域作為最主要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)出現(xiàn)，而且前景會(huì)越來越明顯。 |
