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    摘 要：丹佛斯變頻器可以開環或閉環方式驅動交流永磁同步電機。開環驅動永磁同步電機相對來說接線簡單，轉速控制精度高，現場故障率低，因此在紡織化纖、玻璃行業有非常廣泛的應用。本文介紹了丹佛斯FC300變頻器開環驅動交流永磁同步電機的經驗和改善開環控制精度的辦法。
 
    關鍵詞： 永磁同步電機  開環驅動
 
    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：化纖行業纖維牽伸和玻璃制造行業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，并用變頻器作開環調速驅動，丹佛斯變頻器由于性能穩定、可靠性高，在這兩個行業有很久的應用歷史。為了進一步提高設備運行的可靠性和改善永磁同步電機低速時的輸出性能，我們就永磁同步電機的基本特性進行分析，提出了一些有益的辦法。

    一、永磁同步電機的結構特點：
 
    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，其磁化特性曲線接近矩形，在矯頑點以下，磁化率幾乎與空氣相同。因此在進行磁路分析時，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的電參數的差異來分類，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為永磁體貼于均勻轉子上，通過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為電機實際氣隙是均勻的，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、  變頻器開環驅動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大電感量的異步電機的，如被用于驅動永磁同步電機，變頻器的輸出電流紋波將比驅動異步電機時的電流紋波大得多。

       

    在這種工況下，許多未經特別設計的變頻器會發生故障或令使用壽命大大縮短。丹佛斯的FC302變頻器是專門針對驅動永磁同步和異步伺服電機而設計的一款驅動器，變頻器設計時已經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；同時還令變頻器輸出PWM方波的電壓突變率受到特殊限制。經過工廠內部的充分測試和大量用戶現場長時間的實際應用考驗，證明了FC302驅動器驅動永磁同步電機的長期可靠性。

    2.  變頻器的電機控制模式

    變頻器開環控制時一般有VVCplus控制、無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驅動器的V/F控制模式，允許用戶自定義6點（頻率，電壓）點，應用上有較大靈活性，特別適用于永磁同步電機開環控制。

               

                                圖5，FC302的V/F點定義 

                              

    3.  驅動器功率選擇
 
    選擇永磁同步電機的適配驅動器功率時，主要看永磁同步電機的起動電流，此電流一般較額定電流高，驅動器的額定電流應該大于或等于永磁同步電機的起動電流。永磁同步電機過載時可能產生10倍額定電流以上的失步電流，遠遠超過異步電機5-7倍的堵轉電流，而且開環控制時，驅動器無法作有效的轉矩限制保護，因此必須由用戶自己負責保證負載不會過載，在不允許跳閘的場合驅動器功率選型要有足夠大的裕量；通用變頻器的開環自動轉矩限制和過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，在開環驅動永磁同步電機時要求將這些智能保護功能全部關閉。

    三、   永磁同步電動機的運行特性：  

    忽略定子電阻和漏抗以后，可以得到永磁同步電機簡化的矢量圖如圖六。

    其中：

    0為轉子永磁體產生的感應電勢，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變化的關系曲線 PM = f (θ) 。

  

    ◆ 隱極永磁同步電機的功角特性

   

    空載時，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，永磁同步電動機的輸出轉矩達到最大值。負載轉矩在任何時候都不能超過TMmax，否則會造成失步。

　　◆ 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、開環驅動永磁同步電機時，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環輸出電壓，能夠提高永磁同步電機的負載能力，防止失步。不過變頻器的開環輸出電壓如果提得太高，會使輸出電流功率因數降低，甚至導致勵磁電流過流，這就要求根據現場實際負載情況進行調試。

    3.開環控制時，轉矩波動引起的轉速波動。

    從公式[5]可得到比整步轉矩：

  

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

    低頻時，提高起動電壓，主要考慮對定子和導線的電阻和漏感的電壓補償；

    中低頻時，還有考慮人為增持以提高同步電機的開環運行性能；

    高頻時，由于負責慣性的平抑作用，調整就比較簡單了，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. 機械工業出版社

    作者簡介

    夏明：上海津信電氣有限公司技術部經理，主要從事丹佛斯驅動產品的應用和研究。聯系方式：上海市新市路248弄5號，郵編：200083，電話：021-65618877