王素霞 楊新 周玉林

摘? ?要：永磁同步直驅(qū)電動(dòng)機(jī)是隨著低速大扭矩永磁電機(jī)技術(shù)及智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟而出現(xiàn)的一個(gè)具有革命性意義的產(chǎn)品。該產(chǎn)品顛覆了傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)連接方式，取消了減速機(jī)等中間過(guò)渡環(huán)節(jié)，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)鏈，提高了系統(tǒng)效率，降低能源消耗，安裝簡(jiǎn)便，維護(hù)量少。本文重點(diǎn)介紹DYT永磁同步直驅(qū)電動(dòng)機(jī)在攪拌上的改造節(jié)能實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：節(jié)能降耗;永磁直驅(qū);低速大扭矩

1? ? 永磁同步直驅(qū)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

永磁同步直驅(qū)電機(jī)是一款交流電動(dòng)機(jī)，定子部分和異步電機(jī)相似，只是繞線方式和級(jí)數(shù)的設(shè)計(jì)不同，它是以多級(jí)數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)的。電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)由稀土釹鐵硼產(chǎn)生，不需要?jiǎng)?lì)磁磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子本身就可以產(chǎn)生很強(qiáng)的固有磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和定子線圈通電后產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相互作用，從而產(chǎn)生非常大的合力輸出。

當(dāng)電機(jī)對(duì)稱的三相繞組接通對(duì)稱的三相電源時(shí)，電流在定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，且轉(zhuǎn)速符合以下定律：

n=60 f/p

其中：f—電機(jī)額定頻率;p—定子極對(duì)數(shù)。

2? ? 永磁同步直驅(qū)電機(jī)的性能特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)電動(dòng)機(jī)的保有量較大，部分設(shè)備的老化嚴(yán)重、效率較低、電能消耗較大，而永磁同步直驅(qū)電動(dòng)機(jī)具有啟動(dòng)力矩大、轉(zhuǎn)速無(wú)級(jí)可調(diào)、溫升低、功率因數(shù)高、效率高、節(jié)能降耗等特點(diǎn)。

2.1? 效率高、更加省電

由于永磁同步直驅(qū)電機(jī)的磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的，從而避免通過(guò)勵(lì)磁電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)而導(dǎo)致的勵(lì)磁損耗。

從外特性效率曲線分析，永磁同步直驅(qū)電機(jī)更加優(yōu)于異步電機(jī)，永磁同步直驅(qū)電機(jī)在輕載時(shí)的效率較異步電機(jī)要高很多，因此永磁同步直驅(qū)電機(jī)相比于異步電機(jī)在節(jié)能方面具有的最大優(yōu)勢(shì)。

基于永磁同步直驅(qū)電機(jī)功率因數(shù)高的特性，因此，永磁同步直驅(qū)電機(jī)比異步電機(jī)的電流更小，定子的銅損耗更小，永磁同步直驅(qū)電機(jī)的效率更高。

永磁同步直驅(qū)電機(jī)的參數(shù)不限制于電機(jī)的極數(shù)，因此，永磁同步直驅(qū)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)多級(jí)形式。對(duì)傳統(tǒng)需要通過(guò)減速裝置獲得較大驅(qū)動(dòng)扭矩的負(fù)載而言，可以省去減速裝置而使用永磁同步直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，優(yōu)化了系統(tǒng)的傳動(dòng)路徑、使得系統(tǒng)的傳動(dòng)效率最高。

2.2? 電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活

由于異步電機(jī)轉(zhuǎn)子上需要安裝導(dǎo)條、端環(huán)或者轉(zhuǎn)子繞組，大大限制了異步電機(jī)結(jié)構(gòu)的靈活性，而永磁同步直驅(qū)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為靈活，如對(duì)鐵路牽引電機(jī)，可以將電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁鋼直接安裝在機(jī)車輪對(duì)的轉(zhuǎn)軸上，從而省去了減速機(jī)，結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。

2.3? 免維護(hù)，可靠性更高

無(wú)減速系統(tǒng)及附屬的液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)效率接近100%;維護(hù)難度降低，電機(jī)軸承需定期潤(rùn)滑，維護(hù)量較少，因而維護(hù)成本降低。無(wú)齒輪傳動(dòng)，噪音低;機(jī)械磨損造成的精度損失得到有效控制，使用壽命更長(zhǎng)。

2.4? 變頻控制

全數(shù)字開環(huán)同步矢量控制，低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速功能，能保證150%的額定轉(zhuǎn)矩輸出，控制器設(shè)有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載，功率元件過(guò)熱和電機(jī)繞組過(guò)熱、缺相等保護(hù)，設(shè)有故障記憶功能，對(duì)負(fù)載無(wú)沖擊。

2.5? 安裝更方便

部件數(shù)量減少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單。同比電機(jī)、減速機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，安裝尺寸減小，具有安裝方便、傳動(dòng)鏈縮短，振動(dòng)更小、系統(tǒng)運(yùn)行的更加平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

3? ? 永磁同步直驅(qū)電機(jī)的控制方式

永磁同步直驅(qū)電機(jī)（見圖1）采用的是強(qiáng)耦合、時(shí)變的非線性系統(tǒng)方案，因此，控制策略相對(duì)異步電機(jī)而言要復(fù)雜。目前針對(duì)永磁同步電機(jī)的控制策略主要有轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比（v/f為常數(shù)）控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、自適應(yīng)控制等，各有優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的方式來(lái)控制電機(jī)。

永磁同步直驅(qū)電機(jī)采用的是矢量控制，矢量控制方式是廣泛使用控制方式的一種，其基本原理是通過(guò)坐標(biāo)的變換在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步坐標(biāo)系統(tǒng)上對(duì)電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行解耦控制的技術(shù)方案，使永磁同步直驅(qū)電機(jī)具有和傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)具有相同運(yùn)行特性。

4? ? 永磁同步直驅(qū)電機(jī)的應(yīng)用方向

由于永磁同步直驅(qū)電機(jī)具有輸出轉(zhuǎn)速低、輸出扭矩大的特性，所以可以替代傳統(tǒng)的“異步電機(jī)+減速機(jī)”結(jié)構(gòu)形式。比如化工行業(yè)的攪拌器、冷卻塔風(fēng)機(jī);電力煤炭行業(yè)的輸煤皮帶機(jī);水泥行業(yè)的球磨機(jī)、選粉機(jī)等。

基于減速裝置在傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元中的故障率較高，使得永磁同步直驅(qū)電機(jī)在替代傳統(tǒng)異步電機(jī)與減速裝置結(jié)合時(shí)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

5? ? 永磁同步直驅(qū)電機(jī)在攪拌器上的應(yīng)用案例分析

2016年，鋅業(yè)公司聯(lián)合南京鼎陽(yáng)科技有限公司共同啟動(dòng)攪拌器采用DYT永磁同步直驅(qū)電機(jī)改造項(xiàng)目。2016年9月，第一臺(tái)改造在濕法系統(tǒng)凈化工序4#機(jī)安裝完成并投入運(yùn)行。

該廠攪拌器傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元采用“異步電機(jī)+減速機(jī)”形式（見圖2），減速機(jī)為直角軸安裝形式，電機(jī)通過(guò)安裝法蘭和與減速機(jī)連接。這種結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題是振動(dòng)較大，導(dǎo)致減速機(jī)漏油現(xiàn)象頻繁，異步電機(jī)線圈老化，發(fā)熱嚴(yán)重，增加了工人的維護(hù)工作量，影響正常生產(chǎn)。

另外，在工藝上有提高產(chǎn)能的需求，原設(shè)備功率已不能滿足要求，以此為契機(jī)，一方面考慮解決設(shè)備可靠性，另外提高產(chǎn)能，提出采用DYT永磁同步直驅(qū)電動(dòng)機(jī)對(duì)其進(jìn)行改造升級(jí)。

將原異步電機(jī)和減速機(jī)拆除，采用“DYT永磁直驅(qū)電機(jī)”（見圖3）直接驅(qū)動(dòng)攪拌軸，使傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。

改造后，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率顯著提高，總效率由80%提高到94%以上，節(jié)能明顯。4#和5#兩個(gè)機(jī)位分別在5種不同轉(zhuǎn)速下（74 r/min、76 r/min、78 r/min、80 r/min、82 r/min）分別記錄兩天的用電量，具體數(shù)據(jù)如表1所示。表中數(shù)據(jù)顯示，在不同轉(zhuǎn)速下，采用永磁同步直驅(qū)電機(jī)都有很大的節(jié)能空間，通過(guò)比較，輸出轉(zhuǎn)速在76 r/min時(shí)節(jié)能最為顯著。

通過(guò)以上分析，在攪拌器上采用DYT永磁同步直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)替代原來(lái)的“異步電機(jī)+減速機(jī)”的驅(qū)動(dòng)形式，不但能完全滿足設(shè)備工藝需求，而且大大降低了后期的維護(hù)費(fèi)用，降低了職工的設(shè)備維護(hù)工作量。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障率降低，對(duì)確保安全生產(chǎn)、延長(zhǎng)設(shè)備壽命周期起到了關(guān)鍵作用，DYT永磁同步直驅(qū)電機(jī)系統(tǒng)在攪拌器上適合大力推廣。

6? ? 永磁同步直驅(qū)電機(jī)的應(yīng)用前景

由于永磁同步直驅(qū)電機(jī)主要性能特點(diǎn)是輸出轉(zhuǎn)速低、輸出扭矩大，可以去掉傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)單元中的減速機(jī)、液力耦合器、CST系統(tǒng)，使得驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。除了在化工攪拌器上可以大力應(yīng)用外，在皮帶輸送機(jī)、球磨機(jī)、冷卻塔風(fēng)機(jī)、空冷島風(fēng)機(jī)、選粉機(jī)等設(shè)備上都可以大規(guī)模應(yīng)用，而且可以取到非常好的應(yīng)用效果。

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