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摘 要：丹佛斯變頻器可以開環(huán)或閉環(huán)方式驅(qū)動(dòng)交流永磁同步電機(jī)。開環(huán)驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)相對(duì)來(lái)說(shuō)接線簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)速控制精度高，現(xiàn)場(chǎng)故障率低，因此在紡織化纖、玻璃行業(yè)有非常廣泛的應(yīng)用。本文介紹了丹佛斯FC300變頻器開環(huán)驅(qū)動(dòng)交流永磁同步電機(jī)的經(jīng)驗(yàn)和改善開環(huán)控制精度的辦法。
關(guān)鍵詞： 永磁同步電機(jī) 開環(huán)驅(qū)動(dòng)
Abstract: Danfoss Variable speed driver can drive the permanent magnetic motor via open-loop or close-loop method. It’s wiring more easily if controlled by open-loop，as well as high speed precision and lower broken ratio. So the open-loop PM motor control used in many industry applications such as chemical fiber and glass made. The thesis will discuss the Danfoss FC300 drive’s application experience in open-loop PM motor control and the methods to improve the shaft performance.
Key words: PM motor, Open-loop Control
引言：化纖行業(yè)纖維牽伸和玻璃制造行業(yè)成品傳輸都要求非常高的轉(zhuǎn)速控制精度，一般采用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并用變頻器作開環(huán)調(diào)速驅(qū)動(dòng)，丹佛斯變頻器由于性能穩(wěn)定、可靠性高，在這兩個(gè)行業(yè)有很久的應(yīng)用歷史。為了進(jìn)一步提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和改善永磁同步電機(jī)低速時(shí)的輸出性能，我們就永磁同步電機(jī)的基本特性進(jìn)行分析，提出了一些有益的辦法。
一、永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
普通的永磁同步電機(jī)機(jī)構(gòu)如圖一，定子為普通的硅鋼片，導(dǎo)磁性能良好；轉(zhuǎn)子表面覆蓋永磁體，轉(zhuǎn)子內(nèi)部依然為導(dǎo)磁性能良好的鐵。轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙約0.2毫米，與普通異步電機(jī)相仿。
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圖1，永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) |
現(xiàn)代主流永磁同步電機(jī)多采用稀土永磁材料做永磁體，由于稀土永磁材料具有非常大的內(nèi)稟矯頑力，其磁化特性曲線接近矩形，在矯頑點(diǎn)以下，磁化率幾乎與空氣相同。因此在進(jìn)行磁路分析時(shí)，稀土永磁體可以被視作氣隙處理。所以永磁同步電機(jī)的內(nèi)部等效氣隙要比異步電機(jī)大得多。
從d軸電感Xd和q軸電感Xq的電參數(shù)的差異來(lái)分類，稀土永磁同步電機(jī)可以分為隱極同步電機(jī)和凸極同步電機(jī)兩種。
隱極永磁同步電機(jī)的主要特點(diǎn)為永磁體貼于均勻轉(zhuǎn)子上，通過(guò)修正永磁體的表面形狀，確保氣隙磁勢(shì)為正弦波。磁路上d軸與q軸氣隙是相同的，因此：Xd = Xq
凸極永磁同步電機(jī)的主要特點(diǎn)為電機(jī)實(shí)際氣隙是均勻的，但d軸磁路氣隙等于電機(jī)氣隙加永磁體的厚度，而q軸磁路氣隙等于電機(jī)氣隙，因此通常有：Xd < Xq
二、 變頻器開環(huán)驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的注意事項(xiàng)：
1. 電機(jī)紋波電流的影響
由于永磁同步電機(jī)的內(nèi)部等效氣隙要比異步電機(jī)大得多，因此永磁同步電機(jī)有比異步電機(jī)小得多的主電感和電氣時(shí)間常數(shù)，這在控制上有電流響應(yīng)快的好處，但是變頻器通常是被設(shè)計(jì)為驅(qū)動(dòng)大電感量的異步電機(jī)的，如被用于驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，變頻器的輸出電流紋波將比驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)時(shí)的電流紋波大得多。
在這種工況下，許多未經(jīng)特別設(shè)計(jì)的變頻器會(huì)發(fā)生故障或令使用壽命大大縮短。丹佛斯的FC302變頻器是專門針對(duì)驅(qū)動(dòng)永磁同步和異步伺服電機(jī)而設(shè)計(jì)的一款驅(qū)動(dòng)器，變頻器設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)對(duì)較高的載波紋波電流對(duì)變頻器的硬件和控制軟件的影響有所考慮；同時(shí)還令變頻器輸出PWM方波的電壓突變率受到特殊限制。經(jīng)過(guò)工廠內(nèi)部的充分測(cè)試和大量用戶現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際應(yīng)用考驗(yàn)，證明了FC302驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的長(zhǎng)期可靠性。
2. 變頻器的電機(jī)控制模式
變頻器開環(huán)控制時(shí)一般有 VVCplus控制、無(wú)轉(zhuǎn)速反饋磁通矢量控制和V/F控制（標(biāo)量控制）等幾種控制模式，其中VVC plus控制和無(wú)轉(zhuǎn)速反饋磁通矢量控制都是針對(duì)異步電機(jī)的控制模式，不能用在同步電機(jī)控制上，因此只能使用V/F控制。
丹佛斯FC302驅(qū)動(dòng)器的V/F控制模式，允許用戶自定義6點(diǎn)（頻率，電壓）點(diǎn)，應(yīng)用上有較大靈活性，特別適用于永磁同步電機(jī)開環(huán)控制。
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圖5，F(xiàn)C302的V/F點(diǎn)定義 |
選擇永磁同步電機(jī)的適配驅(qū)動(dòng)器功率時(shí)，主要看永磁同步電機(jī)的起動(dòng)電流，此電流一般較額定電流高，驅(qū)動(dòng)器的額定電流應(yīng)該大于或等于永磁同步電機(jī)的起動(dòng)電流。永磁同步電機(jī)過(guò)載時(shí)可能產(chǎn)生10倍額定電流以上的失步電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)異步電機(jī)5-7倍的堵轉(zhuǎn)電流，而且開環(huán)控制時(shí)，驅(qū)動(dòng)器無(wú)法作有效的轉(zhuǎn)矩限制保護(hù)，因此必須由用戶自己負(fù)責(zé)保證負(fù)載不會(huì)過(guò)載，在不允許跳閘的場(chǎng)合驅(qū)動(dòng)器功率選型要有足夠大的裕量；通用變頻器的開環(huán)自動(dòng)轉(zhuǎn)矩限制和過(guò)壓限制功能都是針對(duì)異步電機(jī)的，很不適應(yīng)于永磁同步電機(jī)，在開環(huán)驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)時(shí)要求將這些智能保護(hù)功能全部關(guān)閉。
三、 永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性：
忽略定子電阻和漏抗以后，可以得到永磁同步電機(jī)簡(jiǎn)化的矢量圖如圖六。
其中：
0為轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，角度與轉(zhuǎn)子位置保持嚴(yán)格一致。
E 0 =  W·K W·Ф 0·ω [ 1 ]
W，繞組匝數(shù)；
KW，繞組系數(shù)；
Ф0，永磁體產(chǎn)生的磁通。
θ， 為外加空間電壓矢量與永磁轉(zhuǎn)子之間的夾角。
永磁同步電機(jī)的功角特性：
◆ 功角特性指的是電磁功率PM隨功角θ變化的關(guān)系曲線 PM = f (θ) 。
◆ 隱極永磁同步電機(jī)的功角特性
 [ 2 ]
m，相數(shù)
將公式[1]帶入E0，可得
 [ 3 ]
TM ∝ U·sinθ [ 4 ]
 [ 5 ]
空載時(shí)，θ為0，即空間電壓矢量與轉(zhuǎn)子角度一致；空間電壓矢量角度超前轉(zhuǎn)子90°時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值。負(fù)載轉(zhuǎn)矩在任何時(shí)候都不能超過(guò)TMmax，否則會(huì)造成失步。
◆ 隱極永磁同步電機(jī)的功角特性
 [ 6 ]
由于凸極反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的影響，隱極永磁同步電機(jī)的功角特性變差。
四、開環(huán)驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)時(shí)，提高輸出性能的辦法：
1. 由于凸極永磁同步電機(jī)的攻角特性比隱極永磁同步電機(jī)的要差，所以對(duì)于性能要求較高的應(yīng)用推薦使用隱極永磁同步電機(jī)。
2. 對(duì)于隱極永磁同步電機(jī)，根據(jù)公式[4]，TM ∝ U·sinθ，可知隱極永磁同步電機(jī)的負(fù)載能力與輸入電壓成正比，因此提高變頻器的開環(huán)輸出電壓，能夠提高永磁同步電機(jī)的負(fù)載能力，防止失步。不過(guò)變頻器的開環(huán)輸出電壓如果提得太高，會(huì)使輸出電流功率因數(shù)降低，甚至導(dǎo)致勵(lì)磁電流過(guò)流，這就要求根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際負(fù)載情況進(jìn)行調(diào)試。
3. 開環(huán)控制時(shí)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。
從公式[5]可得到比整步轉(zhuǎn)矩：
 ∝ U·cosθ [ 7 ]
因此可知，U較大時(shí)，永磁同步電機(jī)的機(jī)械特性也較硬，同樣的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)引起的角度（轉(zhuǎn)速）波動(dòng)就比較小。
4. V/F特性曲線的調(diào)整辦法。
低頻時(shí)，提高起動(dòng)電壓，主要考慮對(duì)定子和導(dǎo)線的電阻和漏感的電壓補(bǔ)償；
中低頻時(shí)，還有考慮人為增持以提高同步電機(jī)的開環(huán)運(yùn)行性能；
高頻時(shí)，由于負(fù)責(zé)慣性的平抑作用，調(diào)整就比較簡(jiǎn)單了，只要設(shè)置50Hz對(duì)應(yīng)380V就可以了。
參考文獻(xiàn)
[1] FC300 Design Guide. MG.33.BB.02. Danfoss公司
[2] 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì). 唐任遠(yuǎn). 機(jī)械工業(yè)出版社
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