永磁同步电机调速原理及其矿山应用

中矿传动技术交流

技术研究

2021年6月28日发布

       在“碳达峰”和“碳中和”的新形势下，提高系统的运行效率和智能化程度已经成为当前矿机装备的发展趋势。永磁同步电机具有高效率、高功率密度和高性能的特点，应用于矿机装备中具有突出的优势。本文分析了永磁同步电机的调速原理，在煤矿安全、高效、绿色、低碳、智能开采的技术背景下，介绍了永磁同步电机在矿山中的典型应用及其优势。

       当前工业界广泛使用的交流电机主要可以分为感应电机、电励磁同步电机、开关磁阻电机与永磁同步电机四类。永磁同步电机的转子结构采用稀土永磁体材料，稀土永磁体的高磁能积和高矫顽力使得永磁同步电机具有体积小、重量轻、特性好等一系列优点，其优势主要体现在以下三点。

（1）高效率

        感应电机、电励磁同步电机的转子的主要材料是铜，而电流流经铜材料必然会产生热量和损耗。而对于永磁同步电机，稀土永磁体材料自身不发热，不产生损耗，因此永磁同步电机的效率较其他类型电机有大幅提高，且其高效区域广，能够有效克服感应电机在低速轻载时的功率因数低与效率低的问题。

（2）高功率密度

        永磁同步电机的转子采用具有高磁能积和高矫顽力的稀土永磁体材料，同等功率下，永磁同步电机的转子体积和重量大幅减小，且转子无需散热，机械结构可以设计的更加紧密，因此永磁同步电机具备功率密度大的优势，相同功率的电机，永磁同步电机的体积相对于感应电机平均能够减小约50%，应用于体积受限的场合具有突出优势。

（3）高性能

       永磁同步电机转子磁链由永磁体产生，因此是固定的，无需预励磁过程，其启动转矩大、启动速度快、过载能力强、动态性能优异。

       另外，采用先进的解耦矢量控制，其转矩控制的稳态与动态性能能够与直流电机相媲美。

图1 永磁同步电机结构示意图

        图1所示为永磁同步电机的结构示意图，主要分为定子和转子两部分。永磁同步电机转子结构有表面凸出式、表面插入式、内置径向式、内置切向式与内置混合式等，其中内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速，机械性能更加稳定。

       永磁同步电机调速方法主要分为三类，即矢量控制、直接转矩控制与模型预测控制。矢量控制和直接转矩控制方案已经广泛工业应用，直接转矩控制主要根据磁链和转矩跟踪偏差的滞环输出进行电压矢量选取，其优点在于转矩响应快，但缺点是低速转矩脉动较大。直接转矩控制不存在坐标变换与脉宽调制，虽然控制简单，但同时也引起了开关频率不固定，系统谐波性能差的问题。获取相同的开关频率，直接转矩控制器需要远大于开关频率的中断周期，无疑增加了计算芯片的负担。

       模型预测控制在低开关频率控制上具有独特优势，由于永磁同步电机电气参数变化范围大，将模型预测控制应用于永磁同步电机调速还需攻克模型误差的校正问题，其控制鲁棒性还有待提升。

       矢量控制技术是指采用坐标变换，将永磁同步电机转换为类似于直流电机的磁链与转矩解耦模型，从而实现与直流电机相类似的控制性能。配合电压空间矢量调制技术，具备直流电压利用率高、可实现开关频率恒定控制、电磁转矩脉动小、电流谐波含量小等优点，且在同步旋转坐标系中通过d轴电流给定的优化设置，可轻松实现永磁同步电机的效率优化控制。鉴于矢量控制的优异性能，我公司开发的永磁同步电机相关产品均采用先进的矢量控制技术。

       永磁同步电机矢量控制也称为转子磁链定向控制，其原理图如图2所示。通过坐标变换，将d轴精确地定向在转子永磁体N极方向。转速环输出为与电磁转矩正相关的定子电流参考值，经“MTPA+弱磁”模块实现d、q轴电流的优化分配，实现恒转矩区域的效率优化控制以及弱磁升速功能。

图2 永磁同步电机矢量控制原理图

       永磁同步电机的诸多优势使得其在矿井提升机、矿渣立磨机、球磨机、通风机、排水泵等领域具有广阔的应用前景，永磁同步电机驱动是矿用新能源辅助运输装备的发展趋势，且采用永磁同步电机的带式运输机或刮板运输机的低速直连改造是当前的热点。结合我公司的相关产品，本部分将主要介绍永磁同步电机在带式输送机和矿用新能源辅助运输装备中的典型应用。

1、永磁同步电机低速直驱在带式输送机中的应用。

      永磁同步电机采用永磁体励磁，易于实现多极，而且在很宽的负载率范围内都存在极高的效率和功率因数特性，永磁同步电机的定子电流中无功分量极低，所以在输出相同功率的情况下，其定子电流显著低于同极数、同容量异步电机，特别在高极数电机时更加明显，可以小25%～40%，因此可使定子铜耗降低 30%～50%。由于转子无电流通过，没有转子损耗，因此永磁同步电机总损耗一般要比异步电机降低 40%～60%，有着异步电机无法比拟的优势。所以，低速大转矩永磁同步电动机为取消减速机，实现低速大转矩直驱提供了可能性。永磁同步电机低速直驱带式输送机的结构图如图3所示：

图3 永磁同步电机低速直驱带式输送机

       永磁同步电机在低速直驱带式输送机中的应用具备以下突出优势：

（1）安全可靠

① 无减速系统，传动链缩短，系统运行的更加平稳，振动更小、噪音更低，可靠性更高；

② 无齿轮传动，机械磨损造成的损耗得到了有效控制，寿命更长；

③ 变频启动，无冲击，有效解决皮带机动态张力波对皮带和设备造成的伤害；

④ 永磁同步电机调速性能优异，起动转矩大，可以较好解决长距离、大运量皮带机的多驱功率平衡问题；

⑤ 变频器匹配电抗器和滤波装置，不会污染电网和干扰其他设备的正常工作；

⑥ 部件数量减少，安装更方便。

（2）免维护

① 无减速系统及附属的液压系统、冷却系统，维护难度降低，维护量减少，维护成本降低； 

② 维护周期延长，停机时间减少，系统能够持续可靠运转，生产效率提高。

（3）高效节能

① 无减速系统，机械传动效率接近100%；

② 电机转子为永磁体，无需励磁，损耗小，效率高；

③ 无减速系统附属的冷却及液压系统，附属设备用电量小。

④ 高效区广，永磁电机在120%额定负载范围内效率高。在效率上，不但在额定点有了提高，而且在低负载、低速条件下，更是优势明显。

当前我公司开发的1140V与3300V电压等级的永磁同步电机调速系统已在多个煤矿现场得到应用，应用结果表明我公司所开发的永磁同步电机调速系统具备以下优势：

（1）采用三电平结构，du/dt减小50%、电磁干扰小、输出谐波小；

（2）具备先进的参数自学习与自整定功能，调试简便；

（3）高精度转子初始位置检测算法：采用自主开发的新型转子位置估算策略，实现转子初始位置的高精度检测，初始位置检测精度±1度；

（4）采用最大转矩电流比MTPA控制：通过合理分配d、q轴电流以充分利用磁阻转矩，实现相同输出转矩下电机的定子电流最小，从而降低电机铜损耗与逆变器损耗，进一步提高系统效率。

（5）内嵌先进弱磁控制算法，能够在因进线电压波动而导致直流母线电压跌落的情况下实现永磁同步电机额定转速运行，保证生产效率。

（6）全速域无位置传感器控制：集成先进的全速域无位置传感器控制算法，实现零、低速与中高速情况下的高精度转子位置与转速观测。

（7）皮带机启动平顺，重载起动性能优异，可实现多机功率平衡控制。

图4 3300V带式输送机用大功率防爆变频器

2、基于永磁同步电机的矿山新能源辅助运输装备。

       矿山辅运装备包括调度绞车、无极绳绞车、单轨吊挂机车、窄轨机车、普通轨胶套轮机车、无轨胶轮机车等。采用以磷酸铁锂为代表的新能源电池作为供电装置，能够克服柴油机驱动带来的环境污染问题，改善工人工作环境，能够克服铅酸电池能量密度低、维护困难以及“铅污染”问题。

图 5 矿山新能源辅助运输装备控制系统

        我公司开发了多款220V与380V电压等级永磁同步电机用防爆变频器，并成功应用于单轨吊机车调速。

       现场运行结果表明我公司开发的永磁同步电机调速系统应用于矿山新能源辅助运输装备中具有的优势如下：

（1）功率密度高，减小矿车重量，占用体积小；

（2）调速范围广，可实现直驱，可靠性高；

（3）高效区宽，提高续航里程；

（4）转矩脉动小，噪音小；

（5）可实现多机功率平衡控制。

图 6 80kW一驱二防爆变频器

  （本稿件由中矿传动市场部整理编辑，经中矿传动技术支持团队审核授权发布！）

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