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電液動平板閘門也可以由疊片壓制而成

2020-6-6 16:30:05      點擊:

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  永磁同步電機是由永磁體勵磁產生同步旋轉磁場的同步電機,永磁體作為轉子產生旋轉磁場,三相定子繞組在旋轉磁場作用下通過電樞反應,感應三相對稱電流。

  當轉子動能轉化為電能,永磁同步電機作發電機用;此外,當定子側通入三相對稱電流,由于三相定子在空間位置上相差120,所以三相定子電流在空間中產生旋轉磁場,轉子旋轉磁場中受到電磁力作用運動,此時電能轉化為動能,永磁同步電機作電動機用。

  PMSM(Permanent Magnetic Synchronous Machine)

  永磁同步電機主要由定子、轉子和端蓋等部件構成,定子由疊片疊壓而成以減少電動機運行時產生的鐵耗,其中裝有三相交流繞組,稱作電樞。轉子可以制成實心的形式,也可以由疊片壓制而成,其上裝有永磁體材料。根據電機轉子上永磁材料所處位置的不同,永磁同步電機可以分為突出式與內置式兩種結構形式,右圖給出相應的示意圖。突出式轉子的磁路結構簡單,制造成本低,但由于其表面無法安裝啟動繞組,不能實現異步起動。

  內置式轉子的磁路結構主要有徑向式、切向式和混合式3種,它們之間的區別主要在于永磁體磁化方向與轉子旋轉方向關系的不同。電液推桿右圖給出3種不同形式的內置式轉子的磁路結構。由于永磁體置于轉子內部,轉子表面便可制成極靴,極靴內置入銅條或鑄鋁等便可起到啟動和阻尼的作用,穩態和動態性能都較好。又由于內置式轉子磁路不對稱,這樣就會在運行中產生磁阻轉矩,有助于提高電機本身的功率密度和過載能力,而且這樣的結構更易于實現弱磁擴速。

  當三相電流通入永磁同步電機定子的三相對稱繞組中時,電流產生的磁動勢合成一個幅值大小不變的旋轉磁動勢。由于其幅值大小不變,這個旋轉磁動勢的軌跡便形成一個圓,稱為圓形旋轉磁動勢。其大小正好為單相磁動勢幅值的1.5倍,即

  為單相磁動勢的幅值,(T・m);k為基波繞組系數;p為電機極對數;N為每一線圈的串聯匝數;I為線圈中流過電流的有效值,A由于永磁同步電機的轉速恒為同步轉速,因此轉子主磁場和定子圓形旋轉磁動勢產生的旋轉磁場保持相對靜止。兩個磁場相互作用,在定子與轉子之間的氣隙中形成一個合成磁場,它與轉子主磁場發生相互作用,產生了一個推動或者阻礙電機旋轉的電磁轉矩T

  為氣隙合成磁場,T。由于氣隙合成磁場與轉子主磁場位置關系的不同,永磁同步電機既可以運行于電動機狀態也可以運行于發電機狀態,永磁同步電機的三種運行狀態如右圖所示。當氣隙合成磁場滯后于轉子主磁場時,產生的電磁轉矩與轉子旋轉方向相反,這時電機處于發電狀態;相反,當氣隙合成磁場超前于轉子主磁場時,產生的電磁轉矩與轉子旋轉方向相同,這時電機處于電動狀態。轉子主磁場與氣隙合成磁場之間的夾角稱為功率角。

  永磁同步電機由兩個關鍵部件組成,即一個多極化永磁轉子和帶有適當設計繞組的定子。在操作過程中,旋轉的多極化永磁轉子在轉子與定子的氣隙形成一個隨時間變化的磁通。這個通量在定子繞組端子上產生交流電壓,從而形成用于發電的基礎。在此處所討論的永磁同步電機使用一個安裝在鐵磁芯上的環形永磁鐵。內部永磁同步電機不在這里考慮。因磁鐵嵌入到一個電鍍的鐵磁芯內是非常困難的,通過使用適當厚度的磁鐵(500μm)以及在轉子和定子鐵芯的高性能磁材料,氣隙可以做得非常大(300~500μm)而沒有明顯的性能損失,這使得定子繞組在氣隙中占據一定的空間,從而大大簡化了永磁同步電動機的制造。

  永磁同步電機是利用永磁體建立勵磁磁場的同步電機,其定子產生旋轉磁場,轉子用永磁材料制成。同步電機實現能量轉換需要一個直流磁場,產生這個磁場的直流電流稱為電機的勵磁電流。

  永磁無刷電機包括永磁無刷直流電機和永磁無刷交流電機兩種類型,作為電動機運行時均需變頻供電。前者只需要方波型逆變器供電,后者需要正弦波型逆變器供電。

  正弦波永磁同步電機:磁極采用永磁材料,輸入三相正弦波電流時,氣隙磁場按正弦規律分布,簡稱為永磁同步電機。

  梯形波永磁同步電機:磁極仍為永磁材料,但輸入方波電流,氣隙磁場呈梯形波分布,性能更接近于直流電機。用梯形波永磁同步電機構成的自控變頻同步電機又稱為無刷直流電機。

  這種勵磁方式的發電機具有專用的直流發電機,這種專用的直流發電機稱為直流勵磁機,勵磁機一般與發電機同軸,發電機的勵磁繞組通過裝在大軸上的滑環及固定電刷從勵磁機獲得直流電流。這種勵磁方式具有勵磁電流獨立,工作比較可靠和減少自用電消耗量等優點,是過去幾十年間發電機主要勵磁方式,具有較成熟的運行經驗。缺點是勵磁調節速度較慢,維護工作量大,故在10MW以上的機組中很少采用。

  現代大容量發電機有的采用交流勵磁機提供勵磁電流。交流勵磁機也裝在發電機大軸上,它輸出的交流電流經整

  流后供給發電機轉子勵磁,此時,發電機的勵磁方式屬他勵磁方式,又由于采用靜止的整流裝置,故又稱為他勵靜止勵磁,交流副勵磁機提供勵磁電流。交流副勵磁機可以是永磁測量裝置機或是具有自勵恒壓裝置的交流發電機。為了提高勵磁調節速度,交流勵磁機通常采用100~200Hz的中頻發電機,而交流副勵磁機則采用~500Hz的中頻發電機。這種發電機的直流勵磁繞組和三相交流繞組都繞在定子槽內,轉子只有齒與槽而沒有繞組,像個齒輪,因此沒有電刷,滑環等轉動接觸部件,具有工作可靠,結構簡單,制造工藝方便等優點。缺點是噪音較大,交流電勢的諧波分量也較大。

  在勵磁方式中不設置專門的勵磁機,而從發電機本身取得勵磁電源,經整流后再供給發電機本身勵磁,稱自勵式靜止勵磁。自勵式靜止勵磁可分為自并勵和自復勵兩種方式。自并勵方式它通過接在發電機出口的整流變壓器取得勵磁電流,經整流后供給發電機勵磁,這種勵磁方式具有結構簡單,設備少,投資省和維護工作量少等優點。自復勵磁方式除設有整流變壓外,還設有串聯在發電機定子回路的大功率電流互感器。這種互感器的作用是在發生短路時,給發電機提供較大的勵磁電流,以彌補整流變壓器輸出的不足。這種勵磁方式具有兩種勵磁電源,通過整流變壓器獲得的電壓電源和通過串聯變壓器獲得的電流源。

  恒壓頻比控制是一種開環控制。系統在從靜止加速到設定轉速的過程中,隨著供電頻率的上升,供電電壓也隨著上升,并保持供電電壓與供電頻率的比值不變,這便是所謂的恒壓頻比,系統穩定運行時,交流感應電機的供電頻率保持不變,氣隙磁場以設定的恒定同步轉速旋轉,交流感應電機轉速將在滑差范圍內隨著負載的大小自動變化。永磁同步電機的恒壓頻比控制方法與交流感應電機的恒壓頻比控制方法相似,控制電機輸入電壓的幅值和頻率同時變化,從而使電機磁通恒定。它根據系統的給定,利用空間矢量脈寬調制轉化為期望的輸出電壓進行控制,使電動機以一定的轉速運轉。永磁同步電動機的動態數學模型為非線性、多變量,研究各種非線性控制器用于解決永磁同步電動機的非線]

  在不反饋電流、電壓或位置等物理信號的前提下,仍能達到一定的控制精度,這是恒壓頻比控制方法的優點。恒壓頻比控制方法控制算法簡單、硬件成本低廉,在通用變頻器領域得到了廣泛應用。恒壓頻比控制方法的缺點也顯而易見,由于在控制過程中沒有反饋速度、位置或任何其他的信號,所以幾乎完全不能獲得電機的運行狀態信息,更無法控制轉速或電磁轉矩,系統性能一般,動態響應較差,尤其在給定目標速度發生變化或者負載突變時,容易產生失步和振蕩等問題。顯然,該種控制方法不能分別控制轉矩和勵磁電流,在控制過程中容易存在較大的勵磁電流,影響電機的效率。因此,此種控制方法常用于性能需求較低的通用變頻器中,如空調、流水線的傳送帶驅動控制、水泵和風機的節能運行等。

  高性能的交流調速系統需要現代控制理論的支持,對于交流電動機,使用廣泛的當屬矢量控制方案。自1971年德國西門子F.Blaschke提出矢量控制原理,該控制方案就倍受青睞。因此,對其進行深入研究。

  矢量控制的基本思想是:在普通的三相交流電動機上模擬直流電機轉矩的控制規律,磁場定向坐標通過矢量變換,將三相交流電動機的定子電流分解成勵磁電流分量和轉矩電流分量,并使這兩個分量相互垂直,彼此獨立,然后分別調節,以獲得像直流電動機一樣良好的動態特性。因此矢量控制的關鍵在于對定子電流幅值和空間位置(頻率和相位)的控制。矢量控制的目的是改善轉矩控制性能,終的實施是對id,iq的控制。由于定子側的物理量都是交流量,其空間矢量在空間以同步轉速旋轉,因此調節、控制和計算都不方便。需借助復雜的坐標變換進行矢量控制,而且對電動機參數的依賴性很大,難以保證完全解耦,使控制效果大打折扣。

  矢量控制方案是一種有效的交流伺服電動機控制方案。但因其需要復雜的矢量旋轉變換,而且電動機的機械常數低于電磁常數,所以不能迅速地響應矢量控制中的轉矩。針對矢量控制的這一缺點,德國學者Depenbrock于上世紀80年代提出了一種具有快速轉矩響應特性的控制方案,即直接轉矩控制(Direct torque control, DTC)。該控制方案摒棄了矢量控制中解耦的控制思想及電流反饋環節,采取定子磁鏈定向的方法,利用離散的兩點式控制直接對電動機的定子磁鏈和轉矩進行調節,具有結構簡單,轉矩響應快等優點。DTC早用于感應電動機,1997年L Zhong等人對DTC算法進行改造,將其用于永磁同步電動機控制,已有相關的仿線]

  a雖然,對DTC的研究已取得了很大的進展,但在理論和實踐上還不夠成熟,例如:低速性能、帶負載能力等,而且它對實時性要求高,計算量大。

  永磁同步電動機數學模型經坐標變換后,id,iq之間仍存在耦合,不能實現對id和iq的獨立調節。若想使永磁同步電動機獲得良好的動、靜態性能,就必須解決id,iq的解耦問題。如果id與iq無耦合關系,Te=npψfiq,獨立調節iq可實現轉矩的線的解耦控制,可采用電壓型解耦和電流型解耦。前者是一種完全解耦控制方案,可用于對id,iq的完全解耦,但實現較為復雜;后者是一種近似解耦控制方案,控制原理是:適當選取id環電流調節器的參數,使其具有相當的增益,并始終使控制器的參考輸入指令id*=0,可得到id≈id*=0,iq≈iq*0,這樣就獲得了永磁同步電動機的近似解耦。

  永磁同步電機可以將電機整體地安裝在輪軸上,形成整體直驅系統,即一個輪軸就是一個驅動單元,省去了一個齒輪箱。永磁同步電機的優點如下:

  系統采用全封閉結構,無傳動齒輪磨損、無傳動齒輪噪聲,免潤滑油、免維護;

  整個傳動系統重量輕,簧下重量也比傳統的輪軸傳動的輕,單位重量的功率大;

  由于沒有齒輪箱,可對轉向架系統隨意設計:如柔式轉向架、單軸轉向架,使列車動力性能大大提高。

  由于采用了永磁材料磁極,特別是采用了稀土金屬永磁體(如釹鐵硼等),其磁能積高,可得到較高的氣隙磁通密度,電液推桿因此在容量相同時,電機的體積小、重量輕。

  轉動慣量小,允許的脈沖轉矩大,可獲得較高的加速度,動態性能好,結構緊湊,運行可靠。

  永磁無刷交流電機因產生的轉矩比較穩定,多用在伺服系統中。永磁無刷直流電機因控制相對簡單,而且對相同容量的電機,可產生比永磁交流電機更大的轉矩,因此更適用于牽引系統。

  永磁同步電機由于轉子無導條,無銅耗,所以轉子慣量可以做得很小。與普通直流電機和異步電機相比,它具有功率密度大、體積小、轉矩/慣量比大、動態響應快等一系列優點。由于成本較高,調速范圍也沒有交流感應電機寬且有退磁危險,所以應用范圍還比較有限。

  永磁同步電機的控制技術與感應電機類似,控制策略主要集中在提高低速恒轉矩和高速恒功率性能。永磁同步電機低速時常采用矢量控制,包括氣隙磁場定向、轉子磁鏈定向、定子磁鏈定向等;高速運行時,永磁同步電機通常采用弱磁控制。

  自動調節勵磁系統可以看成為一個以電壓為被調量的負反饋控制系統。無功負荷電流是造成發電機端電壓下降的主要原因,當勵磁電流不變時,發電機的端電壓將隨無功電流的增大而降低。但是為了滿足用戶對電能質量的要求,發電機的端電壓應基本保持不變,實現這一要求的辦法是隨無功電流的變化調節發電機的勵磁電流。

  發電機與系統并聯運行時,可以認為是與無限大容量電源的母線運行,要改變發電機勵磁電流,感應電勢和定子電流也跟著變化,此時發電機的無功電流也跟著變化。當發電機與無限大容量系統并聯運行時,為了改變發電機的無功功率,必須調節發電機的勵磁電流。此時改變的發電機勵磁電流并不是通常所說的“調壓”,而是只是改變了送入系統的無功功率。

  并聯運行的發電機根據各自的額定容量,按比例進行無功電流的分配。大容量發電機應負擔較多無功負荷,而容量較小的則負提供較少的無功負荷。為了實現無功負荷能自動分配,可以通過自動高壓調節的勵磁裝置,改變發電機勵磁電流維持其端電壓不變,還可對發電機電壓調節特性的傾斜度進行調整,以實現并聯運行發電機無功負荷的合理分配。

  在改變發電機的勵磁電流中,一般不直接在其轉子回路中進行,因為該回路中電流很大,不便于進行直接調節,通常采用的方法是改變勵磁機的勵磁電流,以達到調節發電機轉子電流的目的。常用的方法有改變勵磁機勵磁回路的電阻,改變勵磁機的附加勵磁電流,改變可控硅的導通角等。

  為了提高電機的轉矩特性,許多學者和研究機構在永磁同步電機的結構設計上進行了大膽的嘗試和革新,并且取得了許多新進展。為了解決槽寬和齒部寬度的矛盾,開發了橫向磁通電( transverse flux machine)技術,電樞線圈和齒槽結構在空間上垂直,主磁通沿著電機的軸向流通,提高了電機的功率密度;采用雙層的永磁體布置,使得電機的交軸電導提高,從而增加了電機的輸出轉矩和功率;改變定子齒形和磁極形狀以減少電機的轉矩脈動等。

  采用弱磁控制后,永磁同步電機的運行特性更加適合電動汽車的驅動要求。在同等功率要求的情況下,降低了逆變器容量,提高了驅動系統的效率。因此,電動汽車驅動用永磁同步電機普遍采用弱磁擴速。為此,國內外的研究機構提出了多種方案,如采用雙套定子結構,在不同轉速時使用不同繞組,以限度地利用永磁體磁場;采用復合轉子結構,轉子增加磁阻段以控制電機直軸和交軸的電抗參數,從而增加電機擴速能力;定子采用深槽以增加直軸漏抗以擴大電機的轉速范圍。

  由于永磁同步電機具有非線性和多變量等特點,電液推桿其控制難度大,控制算法復雜,傳統的矢量控制方法往往不能滿足要求。為此,一些先進的控制方法在永磁同步電機調速系統中得到應用,包括自適應觀測器、模型參考自適應、高頻信號注入法及模糊控制、遺傳算法等智能控制方法。這些控制方法不依賴于控制對象的數學模型,適應性和魯棒性好,對于永磁同步電機這樣的非線性強的系統具有獨特的優勢。

  按照不同的工農業生產機械的要求,永磁同步電機的應用大致分為定速驅動、調速驅動和精密控制驅動三類。

  工農業生產中有大量的生產機械要求連續地以大致不變的速度單方向運行,例如風機、泵、壓縮機、普通機床等。對這類機械以往大多采用三相或單相異步電動機來驅動。異步電動機成本較低,結構簡單牢靠,維修方便,很適合該類機械的驅動。但是,異步電動機效率、功率因數低、損耗大,而該類電機使用面廣量大,故有大量的電能在使用中被浪費了。其次,工農業中大量使用的風機、水泵往往亦需要調節其流量,通常是通過調節風門、閥來完成的,這其中又浪費了大量的電能。70年代起,人們用變頻器調節風機、水泵中異步電動機轉速來調節它們的流量,取得可觀的節能效果,但變頻器的成本又限制了它的使用,而且異步電動機本身的低效率依然存在。

  有相當多的工作機械,其運行速度需要任意設定和調節,但速度控制精度要求并不非常高。這類驅動系統在包裝機械、食品機械、印刷機械、物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有大量應用。在這類調速應用領域初用的多的是直流電動機調速系統,70年代后隨電力電子技術和控制技術的發展,異步電動機的變頻調速迅速滲透到原來的直流調速系統的應用領域。這是因為一方面異步電動機變頻調速系統的性能價格完全可與直流調速系統相媲美,另一方面異步電動機與直流電動機相比有著制造工藝簡單、效率高、同功率電機用銅量少、維護保養方便等優點。故異步電動機變頻調速在許多場合迅速取代了直流調速系統。

  高精度的伺服控制系統:伺服電動機在工業自動化領域的運行控制中扮演了十分重要的角色,應用場合的不同對伺服電動機的控制性能要求也不盡相同。實際應用中,伺服電動機有各種不同的控制方式,例如轉矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電動機系統也經歷了直流伺服系統、交流伺服系統、步進電機驅動系統,直至近年來為引人注目的永磁電動機交流伺服系統。在各類自動化設備、自動加工裝置和機器人等絕大多數都采用永磁同步電動機的交流伺服系統。

  信息技術中的永磁同步電動機:當今信息技術高度發展,各種計算機外設和辦公自動化設備也隨之高度發展,與其配套的關鍵部件微電機需求量大,精度和性能要求也越來越高。對這類微電機的要求是小型化、薄形化、高速、長壽命、高可靠、低噪聲和低振動,精度要求更是特別高。例如,硬盤驅動器用主軸驅動電機是永磁無刷直流電動機,它以近10000rpm的高速帶動盤片旋轉,盤片上執行數據讀寫功能的磁頭在離盤片表面只有0.1~0.3微米處作懸浮運動,其精度要求之高可想而知了。信息技術中各種設備如打印機、軟硬盤驅動器、光盤驅動、傳真機、復印機等中所使用的驅動電機絕大多數是永磁無刷直流電動機。受技術水平限制,這類微電機國內還不能自己制造,有部分產品在國內組裝。

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