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干貨來了!關(guān)于永磁同步電機你知道多少?

 曠世緣q33hh84b 2020-04-12

永磁同步電機基礎(chǔ)知識

用手轉(zhuǎn)動永磁同步電機,相當(dāng)于將電動機反過來當(dāng)發(fā)電機用,而短接繞組相當(dāng)于為發(fā)電機加了一個巨大的負載 所以此時是拖不動的。也可以這么理解,因為短接后線圈閉合 轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸會使通過閉合線圈的磁通量發(fā)生變化 線圈會產(chǎn)生電流阻礙這種變化的發(fā)生,即產(chǎn)生力矩阻礙繞組轉(zhuǎn)動。

電梯永磁同步無齒輪傳動系統(tǒng)對變頻器的要求

近幾年來,隨著無機房、小機房電梯的廣泛應(yīng)用,永磁同步電動機的無齒輪傳動成為目前電梯行業(yè)的技術(shù)發(fā)展主要趨勢。無齒輪傳動電梯由電動機的輸出軸直接與主機的曳引輪連接,不需要齒輪減速或其它減速機構(gòu),直接驅(qū)動電梯運行。這種傳動方式具有傳動效率高、噪音低、機械結(jié)構(gòu)簡單等特點,是電梯眾多曳引傳動方式中最佳方案。目前,大多數(shù)電梯產(chǎn)品都采用了變頻驅(qū)動的方式,由傳統(tǒng)的有齒輪傳動電梯到永磁同步電動機的無齒輪傳動電梯,在變頻控制方面有那些不同和要求,這正是本文要討論的問題。

永磁同步電動機的特點(1)永磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩比同容量的普通交、直流電動機大

    忽略了附加轉(zhuǎn)矩后,永磁同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩表達式為:

    (1)上式的反電勢E0為:

    (2)從式(1)、(2)可見,T與φ即與B成正比,而永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子磁極采用高性能、低價格的釹鐵硼(NdFeB)稀土永磁材料制成,這種材料在室溫下的剩余磁感應(yīng)強度高達1.47T,最大磁能積達397.9KJ/m2,比普通電機的B大得多,因而其輸出轉(zhuǎn)矩要大得多。

    (2)效率和功率因數(shù)高

    該電機不需要無功勵磁電流,可顯著提高功率因數(shù)(可高達1),并減少了定子電流和定子電阻損耗。在電機穩(wěn)定工作時,轉(zhuǎn)子和定子磁場同步運行,轉(zhuǎn)子無感應(yīng)電流,也就不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗,兩者使電動機效率提高2%~8%,而且該電機負載率(P2/PN)在25%~120%范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù),使輕載運行時節(jié)能效果更顯著。

    由于異步電動機轉(zhuǎn)子繞組要從電網(wǎng)吸收部分電能勵磁,使得電機得效率及功率因數(shù)較低,尤其電機在負載率小于50%時,兩者都大幅度下降。

    (3)永磁同步電動機轉(zhuǎn)子無電流流過,定子繞組中較小或幾乎不存在無功電流,使電動機溫升低,延長了電機使用壽命。

    綜上所述,雖然采用了高性能的永磁材料,使電機的成本有所提高,但是消除了減速機構(gòu)后,減低了機械制造成本,同時由于電動機效率及傳動效率的提高,使得電梯的變頻調(diào)速裝置容量大為減少。例如,有齒輪傳動的速度為2m/s,載重1000kg的電梯,需要變頻器的容量為22kW,采用永磁同步電動機無齒輪驅(qū)動的同樣電梯,變頻器的容量為15kW。

二、電梯變頻驅(qū)動裝置的設(shè)計要求

   (1)由于是無齒輪減速直接曳引,電動機的響應(yīng)變化將通過鋼絲繩直接作用在電梯轎廂上,因此為考慮電梯的振動、舒適感等指標,需要設(shè)計控制精度高,響應(yīng)速度快的高性能變頻調(diào)速控制器。特別是電流環(huán)的檢測精度和計算響應(yīng)的速度。

    (2)旋轉(zhuǎn)編碼器在永磁同步電動機的控制系統(tǒng),編碼器除了反饋電動機的轉(zhuǎn)速,還需要檢測電動機的磁極位置,所以編碼器需要能夠反饋磁極位置信號。另外,無齒輪曳引方式,電動機轉(zhuǎn)速較低,因此要求編碼器的分辨率更高,一般要求在4096C/T以上才能使系統(tǒng)有良好的控制性能。所以這種電梯系統(tǒng)一般會選用絕對值或正、余弦的高性能旋轉(zhuǎn)編碼器。而目前一般的變頻器標準配置為A、B相的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器,這就要求在變頻器的設(shè)計中要考慮新的旋轉(zhuǎn)編碼器的接口和應(yīng)用設(shè)計

    (3)與交流異步電動機比較,永磁同步電動機在額定頻率下并不能自起動,需要在變頻器驅(qū)動下起動。這是因為永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子是永磁體,其轉(zhuǎn)子磁場是恒定的,所以定子磁場的產(chǎn)生需要配合轉(zhuǎn)子磁場磁極的位置,以產(chǎn)生電動機運轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩。因此在永磁同步電動機的電梯系統(tǒng)中,變頻器需要設(shè)計有通過編碼器反饋檢測磁極位置信號,并根據(jù)磁極位置、電動機的轉(zhuǎn)速、所須轉(zhuǎn)矩等產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場的功能。

    (4)在目前的系統(tǒng)中,對永磁同步電動機的磁極檢測,在變頻器的設(shè)計上,需要對變頻器參數(shù)進行初始化設(shè)定。很多時變頻器需要對電動機進行空載運轉(zhuǎn)來作設(shè)定,但是對于電梯產(chǎn)品,當(dāng)一臺電梯安裝完成后,這是電動機上已經(jīng)掛上了轎廂、對重等負載,再進行空載運轉(zhuǎn)來作磁極位置初始化設(shè)定并不實際,所以在這種電梯系統(tǒng)中,變頻器需要有不需空載運轉(zhuǎn)來作磁極位置初始化設(shè)定的功能。

    (5)為了保證在各種負載條件下電梯都獲得較好的起動特性和制動特性,在無齒輪曳引驅(qū)動控制系統(tǒng)中設(shè)置負載檢測裝置是十分必要的。在系統(tǒng)中,由于如前所述,采用絕對值或正、余弦的高性能旋轉(zhuǎn)編碼器,變頻器的設(shè)計可以利用旋轉(zhuǎn)編碼器的性能,在電梯起動瞬間,計算出需要補償?shù)牧?,并補償進輸出力矩上,從而達到平穩(wěn)起動。這需要變頻器在信號檢測精度、抗干擾能力和計算響應(yīng)速度上都有一定程度的提高。

    (6)考慮到無齒輪曳引,需要低速大轉(zhuǎn)矩,因此電動機要采用多極數(shù)的設(shè)計,一般都在20極以上,甚至有40及或更高的。所以電梯用的變頻器比以前需要能適應(yīng)更高電動機極數(shù)的要求。

    (7)噪音傳統(tǒng)的電梯系統(tǒng),由于采用的是有齒輪減速箱的傳動方式,所以電梯機房的噪音一般是以齒輪箱的噪音為主。而采用永磁同步電動機的無齒輪傳動的電梯,由于沒有了齒輪減速箱,電動機的電磁噪音就成了電梯機房噪音的主要成分。所以系統(tǒng)對變頻器在電動機噪音抑制方面也提出了更高的要求。

    (8)保護一般的變頻調(diào)速電梯,其變頻器的設(shè)計在對自身的保護和對系統(tǒng)及安全方面的保護都作了不少的考慮,但是對于永磁同步電動機的無齒輪傳動的電梯,在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,還需要根據(jù)無齒輪傳動的特點以及永磁同步電動機的特點,在電梯的安全性方面進行新的設(shè)計。如對電動機可能因磁極位置檢測錯誤而發(fā)生的失速動作進行保護,這需要變頻器有專門的設(shè)計,同時有更高的檢測和計算速度。

    (9)能量回饋電梯作為垂直運輸?shù)慕煌üぞ?,其特點決定其運行過程中必然存在電動和發(fā)電兩種狀態(tài)。傳統(tǒng)的電梯變頻器在設(shè)計上,一般是將電梯在發(fā)電狀態(tài)運行時反饋的能量通過電阻消耗掉。一方面,變頻器這樣的設(shè)計會比較簡單,成本較低;另一方面,傳統(tǒng)的電梯采用有齒輪減速箱的傳動方式,效率較低,所以反饋的能量也較少。但是采用永磁同步電動機的無齒輪傳動的電梯,由于沒有齒輪減速箱,效率提高了,所以反饋的能量也相應(yīng)增加了不少。如果還是采用傳統(tǒng)的方法,通過電阻消耗,一個是電阻的功率、體積和成本都大幅提高,另一個在能源緊缺的今天,也不符合節(jié)能環(huán)保的趨勢。因此在永磁同步電動機的無齒輪傳動的電梯系統(tǒng)中,變頻器的設(shè)計需要有能量回饋的功能,將這些反饋的能量通過變頻器回饋到電網(wǎng)。

三、為什么永磁同步電機不用設(shè)置上行超速保護裝置?

GB7588-2003明確規(guī)定,如果包閘是直接作用與曳引輪上的可以不增設(shè)上行超速保護裝置,因為永磁同步曳引機包括無齒輪曳引機的包閘是直接作用與曳引輪的軸上的,所以只要符合上述條件都可以不需要上行超速保護裝置。

永磁同步電機在失電且進線短接的情況下,會發(fā)電制動,既是你將抱閘完全打開,電機也只能朝較輕的的一邊慢慢遛車。

四、永磁同步電機在電梯開發(fā)應(yīng)用的安全性和可靠性

永磁同步電機在電梯的設(shè)計、生產(chǎn)中,得以開發(fā)利用,較高地提高了電梯曳引系統(tǒng)安全性和可靠性。當(dāng)曳引機制動失靈或其它故障引起電梯向上行方向溜車,乃至飛車時,它具有安全保護作用,滿足我國技術(shù)標準GB7588—2003(電梯制造與安裝安全規(guī)范》9.10轎廂上行超速保護裝置的要求。使用永磁同步曳引電機的電梯,在失電視又解除其長必出點將電動機電樞繞組短截(或串接可調(diào)電阻器后短接),當(dāng)出現(xiàn)超速(不論上行、下行)故障時,控制系統(tǒng)檢測到超速信號,立即切斷控制器供電回路,并將電動機電樞繞組短接(或串聯(lián)可調(diào)電阻器后短接)。這時,靜止的繞組切割旋轉(zhuǎn)的永磁體產(chǎn)生的磁場而感應(yīng)出電動勢,在閉合的電樞繞組回路中引起電流,該電流在磁場作用下引起力矩,企圖帶動電樞繞組隨磁極一起旋轉(zhuǎn);同時,該轉(zhuǎn)矩受反力矩則作用在轉(zhuǎn)子磁極上,力圖使轉(zhuǎn)子隨定子電樞繞組一起停止下來,是一個制動轉(zhuǎn)矩。該過程類似于直流電機的能耗制動,從而實現(xiàn)了防墜落防飛車(制動轉(zhuǎn)矩可通過電阻器調(diào)節(jié)使溜車速度可控)。永磁體和閉合的電樞繞組相互作用,產(chǎn)生停車自閉這種非接觸雙向保護,大大增加了電梯的安全性和可靠性,特別減小了各類超高速電梯的安全鉗鍥塊在高速動作時因高溫損毀所引起的安全風(fēng)險。

由于無齒輪曳引機的曳引輪與電動機同軸,通常曳引輪與制動輪同體,因此,采用永磁同步無齒輪曳引電機技術(shù),可不設(shè)上行超速保護系統(tǒng),在電梯驗收檢驗中當(dāng)然也就可以不作要求。

另外,同步電機可以通過向電樞繞組供直流電來實現(xiàn)帶負載零速停車,從而可以真正做到無須抱閘的機械制動,實現(xiàn)電氣的零速停車。這樣可防止由于抱閘失靈造成溜車的故障,進一步提高系統(tǒng)的可靠性。

五、結(jié)束語

在電梯的設(shè)計、生產(chǎn)中,開發(fā)應(yīng)用永磁同步電機,作為電梯的曳引電機,是一種技術(shù)的進步。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在:結(jié)構(gòu)簡單緊湊,少維護;安全可靠性高;對環(huán)境的噪聲污染低、無油脂污染,并能提高電力功率因素,是理想的環(huán)保產(chǎn)品;提高機械傳動效率,使用節(jié)能、經(jīng)濟,具有較高的性價比;與交流無齒輪異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)相比,低速性、快速性、硬機械特性和停車自閉等優(yōu)點,是異步電動機所無法相比的;與直流無齒輪電動機驅(qū)動系統(tǒng)相比,具有更高的低速性能、調(diào)速精度、快速響應(yīng)性能,且壽命長、耗電少、維護簡單;此外,還易于實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的電梯理想驅(qū)動模型。

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