摘 要：丹佛斯變頻器可以開(kāi)環(huán)或閉環(huán)方式驅動(dòng)交流永磁同步電機。開(kāi)環(huán)驅動(dòng)永磁同步電機相對來(lái)說(shuō)接線(xiàn)簡(jiǎn)單，轉速控制精度高，現場(chǎng)故障率低，因此在紡織化纖、玻璃行業(yè)有非常廣泛的應用。本文介紹了丹佛斯FC300變頻器開(kāi)環(huán)驅動(dòng)交流永磁同步電機的經(jīng)驗和改善開(kāi)環(huán)控制精度的辦法。
 
    關(guān)鍵詞： 永磁同步電機  開(kāi)環(huán)驅動(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速控制精度，一般采用永磁同步電機驅動(dòng)，并用變頻器作開(kāi)環(huán)調速驅動(dòng)，丹佛斯變頻器由于性能穩定、可靠性高，在這兩個(gè)行業(yè)有很久的應用歷史。為了進(jìn)一步提高設備運行的可靠性和改善永磁同步電機低速時(shí)的輸出性能，我們就永磁同步電機的基本特性進(jìn)行分析，提出了一些有益的辦法。

    一、永磁同步電機的結構特點(diǎn)：
 
    普通的永磁同步電機機構如圖一，定子為普通的硅鋼片，導磁性能良好；轉子表面覆蓋永磁體，轉子內部依然為導磁性能良好的鐵。轉子與定子之間的氣隙約0.2毫米，與普通異步電機相仿。

             

                           圖1，永磁同步電機的結構 

                        

    現代主流永磁同步電機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稟矯頑力，其磁化特性曲線(xiàn)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。所以永磁同步電機的內部等效氣隙要比異步電機大得多。

    從d軸電感Xd和q軸電感Xq的電參數的差異來(lái)分類(lèi)，稀土永磁同步電機可以分為隱極同步電機和凸極同步電機兩種。

        

    隱極永磁同步電機的主要特點(diǎn)為永磁體貼于均勻轉子上，通過(guò)修正永磁體的表面形狀，確保氣隙磁勢為正弦波。磁路上d軸與q軸氣隙是相同的，因此：Xd = Xq

    凸極永磁同步電機的主要特點(diǎn)為電機實(shí)際氣隙是均勻的，但d軸磁路氣隙等于電機氣隙加永磁體的厚度，而q軸磁路氣隙等于電機氣隙，因此通常有：Xd < Xq

    二、  變頻器開(kāi)環(huán)驅動(dòng)永磁同步電機的注意事項：
 
    1. 電機紋波電流的影響

    由于永磁同步電機的內部等效氣隙要比異步電機大得多，因此永磁同步電機有比異步電機小得多的主電感和電氣時(shí)間常數，這在控制上有電流響應快的好處，但是變頻器通常是被設計為驅動(dòng)大電感量的異步電機的，如被用于驅動(dòng)永磁同步電機，變頻器的輸出電流紋波將比驅動(dòng)異步電機時(shí)的電流紋波大得多。

       

    在這種工況下，許多未經(jīng)特別設計的變頻器會(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(zhuān)門(mén)針對驅動(dòng)永磁同步和異步伺服電機而設計的一款驅動(dòng)器，變頻器設計時(shí)已經(jīng)對較高的載波紋波電流對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(chǎng)內部的充分測試和大量用戶(hù)現場(chǎng)長(cháng)時(shí)間的實(shí)際應用考驗，證明了FC302驅動(dòng)器驅動(dòng)永磁同步電機的長(cháng)期可靠性。

    2.  變頻器的電機控制模式

    變頻器開(kāi)環(huán)控制時(shí)一般有VVCplus控制、無(wú)轉速反饋磁通矢量控制和V/F控制（標量控制）等幾種控制模式，其中VVCplus控制和無(wú)轉速反饋磁通矢量控制都是針對異步電機的控制模式，不能用在同步電機控制上，因此只能使用V/F控制。

    丹佛斯FC302驅動(dòng)器的V/F控制模式，允許用戶(hù)自定義6點(diǎn)（頻率，電壓）點(diǎn)，應用上有較大靈活性，特別適用于永磁同步電機開(kāi)環(huán)控制。

               

                                圖5，FC302的V/F點(diǎn)定義 

                              

    3.  驅動(dòng)器功率選擇
 
    選擇永磁同步電機的適配驅動(dòng)器功率時(shí)，主要看永磁同步電機的起動(dòng)電流，此電流一般較額定電流高，驅動(dòng)器的額定電流應該大于或等于永磁同步電機的起動(dòng)電流。永磁同步電機過(guò)載時(shí)可能產(chǎn)生10倍額定電流以上的失步電流，遠遠超過(guò)異步電機5-7倍的堵轉電流，而且開(kāi)環(huán)控制時(shí)，驅動(dòng)器無(wú)法作有效的轉矩限制保護，因此必須由用戶(hù)自己負責保證負載不會(huì )過(guò)載，在不允許跳閘的場(chǎng)合驅動(dòng)器功率選型要有足夠大的裕量；通用變頻器的開(kāi)環(huán)自動(dòng)轉矩限制和過(guò)壓限制功能都是針對異步電機的，很不適應于永磁同步電機，在開(kāi)環(huán)驅動(dòng)永磁同步電機時(shí)要求將這些智能保護功能全部關(guān)閉。

    三、   永磁同步電動(dòng)機的運行特性：  

    忽略定子電阻和漏抗以后，可以得到永磁同步電機簡(jiǎn)化的矢量圖如圖六。

    其中：

    0為轉子永磁體產(chǎn)生的感應電勢，角度與轉子位置保持嚴格一致。

     
 
    W，繞組匝數；

    KW，繞組系數；

    Ф0，永磁體產(chǎn)生的磁通。

    θ， 為外加空間電壓矢量與永磁轉子之間的夾角。

    永磁同步電機的功角特性：

    ◆ 功角特性指的是電磁功率PM隨功角θ變化的關(guān)系曲線(xiàn) PM = f (θ) 。

  

    ◆ 隱極永磁同步電機的功角特性

   

    空載時(shí)，θ為0，即空間電壓矢量與轉子角度一致；空間電壓矢量角度超前轉子90°時(shí)，永磁同步電動(dòng)機的輸出轉矩達到最大值。負載轉矩在任何時(shí)候都不能超過(guò)TMmax，否則會(huì )造成失步。

　　◆ 隱極永磁同步電機的功角特性

 

    由于凸極反應轉矩的影響，隱極永磁同步電機的功角特性變差。

    四、開(kāi)環(huán)驅動(dòng)永磁同步電機時(shí)，提高輸出性能的辦法：

    1.由于凸極永磁同步電機的攻角特性比隱極永磁同步電機的要差，所以對于性能要求較高的應用推薦使用隱極永磁同步電機。

    2.對于隱極永磁同步電機，根據公式[4]，TM ∝ U·sinθ，可知隱極永磁同步電機的負載能力與輸入電壓成正比，因此提高變頻器的開(kāi)環(huán)輸出電壓，能夠提高永磁同步電機的負載能力，防止失步。不過(guò)變頻器的開(kāi)環(huán)輸出電壓如果提得太高，會(huì )使輸出電流功率因數降低，甚至導致勵磁電流過(guò)流，這就要求根據現場(chǎng)實(shí)際負載情況進(jìn)行調試。

    3.開(kāi)環(huán)控制時(shí)，轉矩波動(dòng)引起的轉速波動(dòng)。

    從公式[5]可得到比整步轉矩：

  

    因此可知，U較大時(shí)，永磁同步電機的機械特性也較硬，同樣的轉矩波動(dòng)引起的角度（轉速）波動(dòng)就比較小。
　　
    4.V/F特性曲線(xiàn)的調整辦法。

    低頻時(shí)，提高起動(dòng)電壓，主要考慮對定子和導線(xiàn)的電阻和漏感的電壓補償；

    中低頻時(shí)，還有考慮人為增持以提高同步電機的開(kāi)環(huán)運行性能；

    高頻時(shí)，由于負責慣性的平抑作用，調整就比較簡(jiǎn)單了，只要設置50Hz對應380V就可以了。

    參考文獻 

    [1] FC300 Design Guide. MG.33.BB.02. Danfoss公司

    [2] 現代永磁電機理論與設計. 唐任遠. 機械工業(yè)出版社

    作者簡(jiǎn)介

    夏明：上海津信電氣有限公司技術(shù)部經(jīng)理，主要從事丹佛斯驅動(dòng)產(chǎn)品的應用和研究。聯(lián)系方式：上海市新市路248弄5號，郵編：200083，電話(huà)：021-65618877