張菊艷
[摘 要]一直以來,同步電動(dòng)機(jī)是不能調(diào)速的,但變頻技術(shù)的出現(xiàn),刷新了調(diào)速系統(tǒng)的歷史紀(jì)錄。目前,同步電動(dòng)機(jī)已成為異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的強(qiáng)大競爭者,可以精準(zhǔn)靈活的進(jìn)行調(diào)速,在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床以及其他伺服系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi),也是精密電氣伺服控制的優(yōu)選方案之一。
[關(guān)鍵詞]同步電動(dòng)機(jī) 異步電機(jī) 變頻調(diào)速 控制系統(tǒng)
[中圖分類號(hào)] G640 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437(2015)09-0127-02
一、同步電動(dòng)機(jī)的類型及應(yīng)用
同步電動(dòng)機(jī)可以被劃分為直流勵(lì)磁與永磁兩大類。其中永磁同步電動(dòng)機(jī)又被進(jìn)一步劃分為正弦波永磁和梯形波永磁兩大類。直流勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)適用于功率較大的場合,有著很高的經(jīng)濟(jì)和性能指標(biāo);永磁同步電動(dòng)機(jī)則適用于中小功率范圍場合,其控制較簡單,且性能更優(yōu)越。在原理上,變磁阻電動(dòng)機(jī)主要有開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)兩種,更近似于凸極同步電動(dòng)機(jī)。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單和價(jià)格潛力優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)前大眾關(guān)注熱點(diǎn)。
二、交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)回顧
通過長期的理論研究和實(shí)踐總結(jié)出了多種的控制理論和方法。交流異步電動(dòng)機(jī)在動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型中是個(gè)難以控制的復(fù)雜對(duì)象,具有多變量、非線性及強(qiáng)耦合等特征。在動(dòng)態(tài)性能方面,對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的控制是關(guān)鍵,但其控制難度大大難于直流電機(jī)。如泵類、風(fēng)機(jī)、傳送帶及一般生產(chǎn)線等對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不嚴(yán)格的簡單調(diào)速,可采用標(biāo)量控制法,即在恒壓頻比控制基礎(chǔ)之上,只需要掌控調(diào)整電壓、頻率及電流的高低大小,無需掌控相位。這種標(biāo)量控制方法既能實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán),也能實(shí)現(xiàn)速度開環(huán)。轉(zhuǎn)差頻率控制在速度閉環(huán)時(shí)能夠持有較高的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能,但相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)差距仍較大。可見恒壓頻比控制被視為通用變頻器的基本工作模式主要基于其技術(shù)更高級(jí)、更簡易利于實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。
在交流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型中,其矢量控制通過變換坐標(biāo)把直流和交流兩種電動(dòng)機(jī)可以當(dāng)做同種來看待,其定子電流被分解成轉(zhuǎn)矩和勵(lì)磁兩種分量,再分別對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁場模擬自然解耦的直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的控制方法進(jìn)行解耦控制,進(jìn)而獲取同直流調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)性能。這一過程中系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能提高,瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩能夠持續(xù)平穩(wěn)調(diào)整轉(zhuǎn)換,進(jìn)而調(diào)速空間增大。但在工作運(yùn)行中電機(jī)的參數(shù)不斷轉(zhuǎn)變,系統(tǒng)具有較差的魯棒性,尤其是轉(zhuǎn)子電阻的變化,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈的觀察測量、運(yùn)算以及定向難以精確;此外復(fù)雜的系統(tǒng)實(shí)施,也使實(shí)際控制效果往往與理論分析不符。
三、同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)
以正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)自控變頻調(diào)速為例,重點(diǎn)研究以下幾個(gè)方面:
(一)正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)
在正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)中,通常是由交流的PWM變壓變頻器供給的,其定子電流與外施定子電壓成正弦波,而對(duì)正弦繞組的分布也要確保永磁定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成正弦波。另外,掌控定子電流空間矢量和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置,可以通過安裝在轉(zhuǎn)子軸上的較高分辨率的轉(zhuǎn)子位置檢測器,檢測出轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置或轉(zhuǎn)子磁極位置,從而使定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈保持垂直,可以以最小定子電流產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。
(二)正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)
其一,脈動(dòng)較小,轉(zhuǎn)矩相對(duì)平穩(wěn),以致?lián)碛懈蟮恼{(diào)速空間,比梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)(無刷直流電動(dòng)機(jī))優(yōu)越;其二,與直流電動(dòng)機(jī)相似,轉(zhuǎn)子磁通和定子電流相互獨(dú)立;其三,不用磁鏈模型的計(jì)算,轉(zhuǎn)子與磁鏈位置檢測較容易得到,較異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制更簡易;最后,基于電機(jī)設(shè)計(jì)合理并采用高性能的永磁材料,整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩/慣量比、功率密度、單位電流轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和效率等都顯得較優(yōu)越。
(三)正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)
首先,電樞電壓受負(fù)載的影響,二者變化一致,若負(fù)載增大時(shí)定子電壓隨之增大;其次,只有較強(qiáng)的去磁電流才能實(shí)現(xiàn)弱磁,以至于工作區(qū)較小,限制了速度上限;再次,成本較高,因其位置檢測需要分辨率高的光電編碼器或者高精度的旋轉(zhuǎn)變壓器。
(四)正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)自控變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
被廣泛應(yīng)用的梯形波永磁同步電動(dòng)機(jī)+逆變器+轉(zhuǎn)子位置檢測器=直流電動(dòng)機(jī),它不用通過矢量控制就可以擁有與直流電動(dòng)機(jī)同樣的性能,這種無刷直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造較為簡單,其位置比較容易檢測(二位)得到,但也存在六倍頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的缺點(diǎn),使其受限于低速工作運(yùn)行范圍之內(nèi)。
而正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)的自控變頻調(diào)速系統(tǒng)是電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能最優(yōu)方法,是因?yàn)樗D(zhuǎn)矩相對(duì)平穩(wěn),動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快,速度調(diào)動(dòng)范圍更大等優(yōu)點(diǎn),這都?xì)w功于其內(nèi)部的高分辨率的位置傳感器。
綜上,同步電動(dòng)機(jī)采用變頻技術(shù)后,使原無調(diào)速能力的同步電動(dòng)機(jī)可以調(diào)速,不但功率因數(shù)可調(diào)和效率高的優(yōu)點(diǎn)保留了下來,還消除了其起初啟動(dòng)、失步和震蕩等狀況。因同步電動(dòng)機(jī)之所以可以進(jìn)一步簡化逆變器,對(duì)其晶閘管逆變器進(jìn)行負(fù)載換相,是因?yàn)樗哂泄β室驍?shù)可以超前的這一特點(diǎn)。
同步電動(dòng)機(jī)還可以進(jìn)行矢量控制。因其極易檢測得出轉(zhuǎn)子磁極的空間角度,所以可以不用磁鏈模型觀測或計(jì)算。尤其是永磁同步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向較為方便,矢量控制更簡易。通過檢測的轉(zhuǎn)子位置,控制其轉(zhuǎn)子磁鏈與定子電流空間矢量的方向保持垂直,就可擁有最高的每安培轉(zhuǎn)矩,達(dá)到乃至超越直流電動(dòng)機(jī)的控制性能。但永磁同步電動(dòng)機(jī)因其等效氣隙比較大,導(dǎo)致其定子電流具有及較低的去磁效能,想要實(shí)現(xiàn)弱磁難度較大,以至于弱磁提速空間較窄。
四、交-直-交電流型變頻器-直流勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(負(fù)載換相)
在電力電子變流技術(shù)理論中,晶閘管電流型的逆變器不必全都強(qiáng)迫換流,還能由負(fù)載提供換流電壓,但前提條件是負(fù)載是電容性的負(fù)載,才可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。同步電動(dòng)機(jī)即是這樣工作在超前功率因數(shù)下的負(fù)載,其定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)能夠?qū)崿F(xiàn)晶閘管換流,因此,使驅(qū)動(dòng)它的負(fù)載換流逆變器(簡稱LCI)既簡單又經(jīng)濟(jì)。這種數(shù)兆瓦的LCI在風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵和船用驅(qū)動(dòng)等場合很受歡迎。
按氣隙磁鏈定向的直流勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)就是采用這種技術(shù)原理,在同步電動(dòng)機(jī)中,直流勵(lì)磁與定子電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)結(jié)合后生成氣隙磁通,合成的磁通在定子里感應(yīng)出與外加電壓相平衡的電動(dòng)勢(shì)。
采用按氣隙磁場定向,根據(jù)電機(jī)學(xué)原理,控制了勵(lì)磁電流和定子電流,就能對(duì)同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量控制,通過矢量分解之后,同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程就與直流電動(dòng)機(jī)的一樣,一旦保證了氣隙磁鏈(峰值)的恒定,就可以通過控制定子電流的轉(zhuǎn)矩分量來控制同步電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩。
五、總結(jié)和展望
直流勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)相比,在等效電路方面,運(yùn)行穩(wěn)定時(shí),同步電動(dòng)機(jī)無轉(zhuǎn)差功率,傳過空氣隙的全部功率(被速度電勢(shì)Uf吸收的功率)都被轉(zhuǎn)換為機(jī)械功;在轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生方面,同步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行要求限定轉(zhuǎn)矩角在γ=±π / 2范圍之內(nèi),否則不能穩(wěn)定運(yùn)行。如忽略磁路飽和因素的影響,轉(zhuǎn)矩曲線幅度和勵(lì)磁的電流成正比。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和定、轉(zhuǎn)子磁鏈及二者夾角γ的正弦三個(gè)的乘積是正比。即當(dāng)γ=90o時(shí),轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大;當(dāng)γ≠0時(shí),轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩角為正弦函數(shù)的關(guān)系;當(dāng)轉(zhuǎn)矩角γ=0時(shí),定、轉(zhuǎn)子磁極處于同一個(gè)軸線上,兩對(duì)磁級(jí)拉力達(dá)到最強(qiáng),但此時(shí)沒有切向力,轉(zhuǎn)矩成零;當(dāng)γ=180°時(shí),定、轉(zhuǎn)子磁極又處于同一個(gè)軸線上,兩對(duì)磁極斥力達(dá)到最大,也沒有切向力,轉(zhuǎn)矩仍是零;當(dāng)γ>180°的時(shí)候,轉(zhuǎn)矩變成負(fù)數(shù),卻依舊按照正弦的規(guī)律來轉(zhuǎn)變。
在永磁同步電動(dòng)機(jī)原理中,永磁體替代了原來轉(zhuǎn)子上的直流勵(lì)磁繞組,其優(yōu)勢(shì)為:具有更加堅(jiān)固緊密的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),沒有電刷與滑環(huán),不具轉(zhuǎn)子銅耗,效率更高;轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量變小,動(dòng)態(tài)性能更好;雖體積相同,但功率輸出更大。由此,在高性能伺服控制領(lǐng)域及功率小于100kW以下范圍之內(nèi),永磁同步電動(dòng)機(jī)被廣泛采用,同時(shí)在世界各國被視為高科技產(chǎn)業(yè)受到重視。但它也存在缺點(diǎn):不具勵(lì)磁控制的靈活性,含有去磁的可能性。此外,永磁電動(dòng)機(jī)里廣泛采用的是鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁材料,特別是現(xiàn)代高性能永磁電動(dòng)機(jī)大都采用稀土永磁材料,它性能最好,但價(jià)格也最貴。
綜上,自控同步電動(dòng)機(jī)中傳統(tǒng)的電刷和機(jī)械式換向器被電子換相器取代,解決了直流電動(dòng)機(jī)的火花、維護(hù)、環(huán)境及速度限制等種種缺陷;同時(shí)自我控制改善了震蕩和失步現(xiàn)象,并因?yàn)槭褂昧烁吣艽挪牧希鋭?dòng)態(tài)響應(yīng)已趨近于直流電動(dòng)機(jī)的水平,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變小,大大滿足了伺服驅(qū)動(dòng)快速響應(yīng)的需要。在伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域,尤其是在控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域,同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)得到廣泛使用,成為精密電氣伺服控制的一種優(yōu)選方案。
[ 參 考 文 獻(xiàn) ]
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[責(zé)任編輯:鐘 嵐]