关于TYBZ稀土永磁同步电机

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关于TYBZ稀土永磁同步电机和 专用变频器实现机电一体化的讨论

TYBZ稀土永磁同步电机的应用和推广已近十年。随着变频技术的日趋完善，实现机电一体化，其优点已越来越明显。TYBZ稀土永磁同步电机结合我国稀土元素丰富的特点，采用高性能稀土永磁材料作为同步电机转子的，使电机的运转效率和功率因数大幅度提高。该电机具有调速精度高，调速比大，输出特性硬，运转平稳。开环控制提高了系统的可靠性，降低了系统成本，从而大大提高了各行业产品的制造工艺。尤其是电机的恒转矩输出和转速不随负载波动的特性。通过变频器有效控制，可使其输出转速保持恒定，在某些机械传动中去掉减速器，这无疑给整个机械制造带来一场新的革命。
     近五年来，稀土永磁同步电机和变频控制实现机电一体，已被广泛应用于机械、石油、冶金、建材、食品、印刷、包装、造纸、造船、塑料、纺织化纤、军工等行业。自95年以来，分别为全国化纤、造纸、浮法玻璃、印刷机械、光缆设备等上市公司、国家垄断行业所生产的设备所配套。同时在石化行业（安庆石化、金山石化）永磁同步电机替代了进口大型设备中的同类电机。但是变频器对永磁同步电机的控制要比普通电机复杂的多，因此国外不少变频器供应商已和永磁同步电机供应商合作，根据电机的压频比曲线，生产操作简易的专用变频器。在和这些专用变频器实现机电一体中，我们做了一些工作，为此在这里将展开讨论，以便让变频器供应商对永磁电机有进一步的了解。
    一、 国内外同步电机的概况
    美国GE公司早在五十年代就研制了一批数百瓦的永磁同步电动机，德国西门子公司自五十年代开始经过十年多，研究出各种不同用途、性能良好的永磁同步电动机，七十年代后期就生产出了30千瓦的电机。日本明电舍公司在六十年代后期就已有永磁同步电动机的系列产品供应。日立公司在七十年代就研制出高速的永磁同步电动机。我国自七十年代后期也陆续研制出多种结构的永磁同步电动机。
    同步电动机的特点和分类：
    交流同步电动机，它的特点是电动机的转速与电源频率完全成正比。
    Ns=60f/p(rpm) 式中：f: 电源频率 P: 极对数 Ns: 同步转速
    而交流异步电动机，它与同步电动机的区别在于：转速与电源频率不成正比，其转速始终比同步电动机还要低，叫转差率。
         N=(1-s)ns(rpm) s=(ns-n)/ns*100%
   同步电动机按其结构不同可分为：磁阻式同步电动机；磁滞式同步电动机；永磁式同步电动机。

1、磁阻式同步电动机     电动机的定子与异步电动机无多大出入。不同之处在于转子片的形状。见图（1）。为了使电机能自起动，转子片与异步电 机转子片一样具有鼠笼结构。但多了反应槽部分。开反应槽的目的是造成纵向磁阻和横向磁阻的差别。磁阻差别越大反应转矩就越大。一台设计优越的磁阻电动机的功率可比同样异步电动机大一个机座号。

2、磁滞式同步电动机     电机的定子部分与一般的异步电动机无多大区别，而转子结构有其特点，见图（2）。它的转子结构由非磁性材料制成。在 其表面套上一磁滞环构成.一般磁滞环采用的材料为络钢、钴钢等。在旋转磁场中磁场滞环被磁化后，由于环的磁滞特性，使环磁通中滞后定子磁势轴一个角度,并产生相应的转矩，由于这个关系，从零至同步转速都不变，所以转矩T是恒值的。 磁滞同步电动机从启动到正常工作过程中，基本与一般异步电动机性能相似，有较小的起动电流和空载电流。工作也很平稳，但它一般适用于较小功率的电机。     3、永磁同步电动机     永磁同步电动机的种类很多，用量也非常大。如转子由永磁环，经多极充磁后制成，定子由带齿的磁极加上集中绕组构成，其功率都很小。目前大量使用在家用电器中。     工业用永磁同步电动机的功率都比较大，它的结构与异步电动机结构相近。电机的定子部分与一般的异步电机无多大不同，其转子结构与异步电机的转子区别是多了一套永磁体。也即：在磁阻同步电动机的转子的反映槽中放入永久磁铁，就成了永磁同步电动机了。永磁同步电动机具有良好的控制性能，可通过频率的变化进行调速。     永磁同步电机就其使用不同的永磁体，其性能特点有很大区别。用铁氧体永磁材料制造的同步电动机。这类电动机研制的年代最早，因此使用也最长久，它的特点是：a.由于铁氧体永磁材料的价格较低，因此此类永磁同步电动机的价格相应的也较便宜。b.由于铁氧体永磁材料的磁能积比较低，磁场强度很小，用铁氧体制造的同步电动机的体积相对就比较大，特别是制造大容量的电动机的较困难。但此类电机的起动电流比异步电机大不了多少。     1、 用金属永磁体制成的永磁同步电动机，总的来说比用铁氧体永磁材料制成的永磁同步电动机要优越些。     2、 用稀土永磁材料制成的永磁同步电动机，稀土永磁材料具有很高的磁能极，而且它的剩磁也特别高，用这类材料制成的永磁同步电动机具有很多优越性。除前面介绍的优点外，可缩小体积，提高工效。     二、永磁同步电动机和变频控制配合曲线 稀土永磁同步电动机由于应用了高磁能积的永磁材料，其电动机的运行过程将比异步电动机具有不定的特性，该电动机一般也制成与异步电动机相似的电动机，即电动机的定子与异步电动机一样，转子、高磁能的永磁材料。电机在起动过程中，其起动电流将比用铁氧体永磁同步电动机大，比异步电动机起动更大。原因是在起动过程中永磁体将发出电机的能量，电机起动时，不但消耗异步电机起动时的能量（产生空载起动电流），还将克服发电机的能量，因此它的起动电流是很大的。永磁磁能级越高，转子用的永磁材料体积越大，电流也更大。因此对稀土永磁同步电动机在起动过程中必须要有足够大的电流（一般比同容量异步电动机大2-3倍），但一旦达到稳定工作状态（异步电动机在稳定工作状态下，转子将从定子中取得一定的电能来维持正常工作----鼠笼有短路电流），其永磁转子不从定子取得电能，而是依靠永磁磁场，紧跟定自旋转磁场旋转。     1、 电机的压频比     永磁同步电动机与变频器的配合中，关键是个压频比的问题。通用变频器根据不同 的电机特性可以设置不同的压频比。     例1、 佛山化纤厂项目：     98年我公司通过巴马格公司为佛山化纤厂投产的专丝项目中配套的计量泵电（210- 6），变频控制是东丽公司明电舍的专用变频器。双方通过第三方牵头合作，所以没有及时沟通，在配合过程中碰到了一些问题。     从图（3）中，我们可以看到日本专用变频器不能电压提升，双方均未按照约定压频比曲线C，电机不能按照自己的运行曲线运行，从而便得出一条A曲线，无法工作。但电机对磁钢修改后，压频比曲线B比较按照约定曲线C，此时专用变频器在读写曲线时稍作余量，则会顺利配合，达到满意的效果。

例2、 福州永安项目：     该项目分两批，其中17台中的磁钢结构采用经向切入法，该批中的两台电机（机号 为：297、285），其电机特性曲线如图 （4）。这次的配合严格按照约定的压频比曲线，所以整个项目开较为顺利。

表<3> （167-6-97）51台电机中抽其中2台测试（用上海钳形表）

1998年12月14日

频率（HZ）		17	25	30	32	34	36	38	40	50	60	70	80	90	97
297号 电机	电流 （A）	3.8	5.5	5.5	5.4	5.5	5.5	5.5	5.5	5.5	5.5	5.5	5.5	5.5/6.0	5.4/6.0
	功率 （KW）	0.50	0.92	1.10	1.04	1.13	1.17	1.40	1.42	1.63	1.89	2.08	2.10	2.04/2.70	2.43/3.25
285号 电机	电流 （A）	4.1	5.5	5.1	5.4	5.5	5.5	5.5	5.5	5.5	5.5	5.5	5.5	2.4/2.9	5.5
	功率 （KW）	0.50	0.92	1.10	1.25	1.33	1.38	1.43	1.46	1.76	1.98	2.36	2.62	2.36/2.86	3.20

2、 电机与变频器配合问题的分析任何一台电机都有自己的运行曲线，若当电机不在自己的运行曲线下，电机将发生下列现象：     （1）、不能启动；     （2）、电流增大；     （3）、噪音；     （4）、振动；     （5）、温升过高。     引起电机的振动有二种情况：固有的机械振动和电流引起的谐波振动。     如上所述，佛山项目中由于力矩没有提升到应有的位置，用日本的变频测试器测出一条怪曲线，见图（3）中的A 曲线。或 许相当一部分同志会误解为质量问题，而真正原因是双方的沟通不够。没有按图所定的确曲线要求。     永磁同步电机（TYBZ1100-8）在出口至伊朗等国家的浮法玻璃生产线时，在出厂时对每一个频点进行了检测，一切都按图（5）特性曲线正常进行但在整机调试中未调试到它的应有曲线却发生振动、噪声、电流增大等现象。由于该电机配套的是通用变频器，经过调试最后终于找到电机的最佳运行点。     三、与专用变频器配套的几点体会     自中源公司生产永磁同步电动机以来，与国内外各大变频器供应商配套多年，没有发生什么问题。随着变频控制技术的发展，企业采用专用的变频调速芯片后，在电机的配套上有些矛盾就显露出来了。有些问题通过控制方和电机方的协调可以得到有效地解决。在实际制造中能否按约定的电机特性曲线，这是比较关键的。     中源公司通过佛山、海欣、福州等项目的配合，我们的体会有以下几点：     1、 双方必须有一个严格约定的可行的电机参数，而这一参数，最好先由电机方根据 满足整机的设计要求而提出电机的特性参数，然后交给控制方。     2、 电机功率的余地双方都不能放得太大。 我们对一些进口的 同步电机作了一些对比试验，发现国内的同步电机的优点：功率的余量大，磁钢的磁能级高，温升低，但启动困难。而进口的同步电机，功率余量小，易退磁。由于用铁氧铁材料 所以启动方便，但升温高。     3、 必须用统一的计量工具。在海欣项目中，我们发现了这一问题，在出厂试验用SAKEN 的变频器册电机是符合曲线要求的。而到现场后，由于所用的变频器不一致，导致电机的电流普遍增大，这是由于计量的工具不一致所造成的。     4、 变频器容量的选择     一般来说，我们使用多大功率的电机，就得配上多大功率的变频电源，这是无可置疑的。但是稀土永磁同步电机的起动特性是很复杂的，至今尚无比较权威的计算理论资料。从特性分析：首先由于电机的转子表面具鼠笼装置，要依靠转子的鼠笼对电机进行通电后的自启动。因此，在启动过程中具有典型的异步电动机的特性。第二，由于转子内放置有相对的永磁体，如果我们将转子旋转起来,电机的定子发出电来，即成为发电机。而永磁同步电动机在启动过程中存在发电机的效应，因此，为了让永磁同步电机启动运转起来，必须要克服发电效应的阻力矩，电动机才能启动，也就是说要消耗更多的空载功率才能达到。因此说永磁同步电动机比异步电动机启动要困难得多，消耗的电功率大的永磁体越多，消耗的电功率也越大，所以永磁同步电动机在启动过程中必须要有比较大的电流才行。它的启动电流一般是异步电机的1-4倍左右。     永磁同步电动机的永磁转子，其磁场的分布是比较复杂的，在不同频段下，可能产生不同的高次波，如果此高次波与异步电动启动过程中产生的高次波叠加，在此情况下，反映在电流的大小上，其电流值一般将大于额定电流值，这种大电流往往就影响变频电源的最大工作电流的选择。当前我们希望用户在使用稀土永磁同步电机时选择变频器要求比异步电动机大一号，就是此原因。特别是与我们稀土永磁同步电机配套的专用变频器，在电流的设计上希望过载电流的倍数越大越好（2倍或2倍以上），这是我们对变频器供应商的要求。     就稀土永磁同步电动机而言，如何在结构上有所改进，让电机在启动过程中尽量减少高波次，是我们采用幅式永磁分布，将一个比较有效的措施。也得到了较好的效果。同时，我们希望在国内找到一家变频器供应商，实现真正的机电一体化，更好地为国内各设备制造商和用户服务。