永磁同步电机原理及调速系统应用
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国传电气技术交流
产品技术
2023年第22期
总第100期
2023年06月26日发布
永磁同步电机原理及调速系统应用
变频技术研发部 吴 翔
导读：永磁同步电机是近些年电机研发的主要方向，因其与其它类型电机较为突出的优势而被行业所推崇。
吴翔博士是永磁同步电机电控系统方面的专家，其研发能力和专业学术造诣是公司变频研发部的佼佼者。今天，吴博士为大家详尽介绍了永磁同步电机发展及其矿山应用方面的知识，让我们来共同学习。
矿山电力传动发展现状
电力传动技术是现代工业生产最重要技术之一，是现代矿山的提升、运输、采掘、通风、排水等生产系统的重要支撑技术。
矿山电力传动发展大体经历了以下几个阶段，具体详见下图：
电压源型交-直-交型变换器成为矿山电力传动中的主流，其中包含以下几个方面：
一、低压小功率场合：两电平拓扑为代表，如蓄电池电机车等。
二、中压大功率场合：三电平拓扑为代表，如大功率矿井提升机等。
三、高压大功率场合：级联多电平拓扑为代表，如6/10kV矿井通风机等。
永磁同步电机与其它类型电机在使用中存在以下的差异，比较起来如下表：
近些年，矿山电力传动装备高效智能驱动发展迅速，最新研究成果详见下图：
永磁同步电机原理
永磁同步电机转子为稀土永磁体材料，稀土永磁体的高磁能积和高矫顽力使得稀土永磁电机具有体积小、重量轻、效率高、特性好等一系列优点。
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，且机械性能更加稳定。
永磁同步机结构示意图
两相静止坐标系下的数学模型中电感值随转子位置有规律变化，是无位置传感器控制的理论依据。
永磁电机空间矢量图
两相旋转坐标系下的数学模型简洁，耦合程度低，是永磁电机高性能控制的理论基础。
永磁同步电机矿山应用
一、低速直联永磁同步电机大功率矿山电力传动方面
永磁同步电机与传统异步电机比较存在以下的技术优势：
低速异步电动机极数较多，励磁电流占比例大，轻载电流大，效率和功率因数低。电机极数越多，则励磁电流分量越大，对于大于 20 极的电机，励磁电流与有功电流之比值一般在 0.95:1～1.25:1 之间，因此其功率因数很低（0.62～0.72），尤其在轻载时，由于合成的定子电流增加很多，造成定子铜损耗很大，大大降低了电机的效率。
永磁电机低速直联优势
永磁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很好的效率和功率因数特性，永磁同步电机由于其励磁是由永久磁铁来实现的，不需要定子额外提供励磁电流。因而电机的功率因数可以做得相当高（理论上可以达到 1）。定子电流由于无功分量极低，所以定子电流也显著低于同极数、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。与电励磁同步电机相比，由于无需励磁电流，损耗更小。
1、低速直联永磁同步电机大功率提升机
与其他电机的低速直联传动方式相比，永磁同步机的效率一般在97%以上，高于其他类型电机，具有效率高，过载能力大、体积小、转动惯量小、省维护等优点。
采用背靠背中点箝位型三电平拓扑结构可实现电网“零污染”变频。
转矩脉动低（<1%），动态响应快（<10ms），系统运行稳定，解决了直联电机振动问题。
永磁电机控制性能优异，能够实现零速悬停、提升钢丝绳自适应张力补偿与电气精准停车，有利于解决启停溜罐等安全隐患。
2、低速直联永磁电机皮带运输系统
皮带机大功率防爆变频器
该系统具备以下特点：
1）防爆变频器与防爆电机距离远，采用高精度全速域无位置传感器控制；
2）具备零速满转矩输出特性，可以实现重载起动；
具备低速验带功能；
3）矢量控制，双闭环（速度环、电流环）调节，实现多驱动功率平衡；
4）实现皮带机的“S”曲线起动、停车，并可根据负载调整皮带运行速度；
5）采用四象限运行方式能解决下运制动及紧急停车问题。
低速直联皮带运输系统
与传统电机相比，永磁同步电机低速直联方案在皮带运输系统中的优势：
1）安全可靠
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；
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；
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；
永磁电机可控性好，可以较好解决长距离、大运量皮带机的多驱功率平衡问题；
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；
部件数量减少，安装更方便。
2）免维护
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；
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
无减速系统，机械传动效率接近100%；
电机转子为永磁体，无需励磁，损耗小，效率高；
无减速系统附属的冷却及液压系统，附属设备用电量小。
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。
三种皮带机驱动方式系统配置及经济效益对比
3、低速直联永磁电机刮板输送系统
驱动方式对比如下表：
4、低速直联永磁电机采煤机
其特点如下：
1）永磁电机体积小，减小采煤机体积，简化机身结构。
2）克服异步电机转速高，扭矩小，造成截割电机与滚筒之间的 传动链长的问题，减小系统机械故障率。
3）永磁电机控制性能优异，提高采煤机截割能力。
4.）损耗小，效率高。
二、基于永磁同步电机的矿山新能源辅运装备
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。
矿山新能源辅运装备电控系统
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。
自主研制的80kW单轨吊机车驱动控制器
永磁电机驱动有如下优势：
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。
自主开发的200kW车载逆变器样机
三、永磁同步电机矿山应用需要注意的问题
永磁电机在矿山应用中也需要注意以下几个方面的额问题：
1、初期成本高
由于稀土永磁目前的价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高 ，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。
2、反电动势问题
永磁同步电机转子为永磁体，当永磁电机处于高速状态时，反电动势较大，对于两相限系统，在电机控制不当或失控时，会对直流母线电容反向充电，严重时会损坏直流母线电容与功率器件。
因此，永磁同步电机高速运转的稳定性问题是系统安全可靠运行的关键因素之一。
3、参数敏感性问题
永磁同步电机的参数受温度、电机运行电流等外界因素的影响较大，而传统控制方法的控制参数设计和电机参数相关，如何在永磁电机参数大范围变化的条件下实现高稳定性、高效率、高鲁棒性、宽调速范围的先进控制是目前难点之一。
4、不可逆退磁问题
如果设计或使用不当，永磁同步电机在过高(钕铁硼永磁)或过低(铁氧体永磁)温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械振动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能下降，甚至无法使用。
目前，在大功率传动场合，在电机永磁体在三相短路（电机电流冲击最大）、退磁风险最大时，要求磁钢退磁每10年退磁率<1%，而且抗退磁温度要远高于三相短路情况下退磁温度，因此，既要研究开发适用于电机制造厂使用的检查永磁材料热稳定性的方法和装置，又要分析各种不同结构型式的抗去磁能力，以便设计和制造时，采用相应措施解决永磁电机退磁问题，增加永磁电机使用寿命。
（本稿件由国传电气（原中矿传动）市场部整理编辑，经国传电气技术支持团队审核授权发布！）
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