一款丹佛斯变频器开环驱动永磁同步电机

引言

化纤行业纤维牵伸和玻璃制造行业成品传输都要求非常高的转速控制精度，一般采用永磁同步电机驱动，并用变频器作开环调速驱动，丹佛斯变频器由于性能稳定、可靠性高，在这两个行业有很久的应用历史。为了进一步提高设备运行的可靠性和改善永磁同步电机低速时的输出性能，我们就永磁同步电机的基本特性进行分析，提出了一些有益的办法。

一、永磁同步电机的结构特点：

普通的永磁同步电机机构如图一，定子为普通的硅钢片，导磁性能良好；转子表面覆盖永磁体，转子内部依然为导磁性能良好的铁。转子与定子之间的气隙约0.2毫米，与普通异步电机相仿。

　　

图1，永磁同步电机的结构

　　

现代主流永磁同步电机多采用稀土永磁材料做永磁体，由于稀土永磁材料具有非常大的内禀矫顽力，其磁化特性曲线接近矩形，在矫顽点以下，磁化率几乎与空气相同。因此在进行磁路分析时，稀土永磁体可以被视作气隙处理。所以永磁同步电机的内部等效气隙要比异步电机大得多。

从d轴电感Xd和q轴电感Xq的电参数的差异来分类，稀土永磁同步电机可以分为隐极同步电机和凸极同步电机两种。

　　

隐极永磁同步电机的主要特点为永磁体贴于均匀转子上，通过修正永磁体的表面形状，确保气隙磁势为正弦波。磁路上d轴与q轴气隙是相同的，因此：Xd = Xq

凸极永磁同步电机的主要特点为电机实际气隙是均匀的，但d轴磁路气隙等于电机气隙加永磁体的厚度，而q轴磁路气隙等于电机气隙，因此通常有：Xd 《 Xq

二、 变频器开环驱动永磁同步电机的注意事项：

1. 电机纹波电流的影响

由于永磁同步电机的内部等效气隙要比异步电机大得多，因此永磁同步电机有比异步电机小得多的主电感和电气时间常数，这在控制上有电流响应快的好处，但是变频器通常是被设计为驱动大电感量的异步电机的，如被用于驱动永磁同步电机，变频器的输出电流纹波将比驱动异步电机时的电流纹波大得多。

在这种工况下，许多未经特别设计的变频器会发生故障或令使用寿命大大缩短。丹佛斯的FC302变频器是专门针对驱动永磁同步和异步伺服电机而设计的一款驱动器，变频器设计时已经对较高的载波纹波电流对变频器的硬件和控制软件的影响有所考虑；同时还令变频器输出PWM方波的电压突变率受到特殊限制。经过工厂内部的充分测试和大量用户现场长时间的实际应用考验，证明了FC302驱动器驱动永磁同步电机的长期可靠性。


2. 变频器的电机控制模式

变频器开环控制时一般有VVCplus控制、无转速反馈磁通矢量控制和V/F控制（标量控制）等几种控制模式，其中VVCplus控制和无转速反馈磁通矢量控制都是针对异步电机的控制模式，不能用在同步电机控制上，因此只能使用V/F控制。

丹佛斯FC302驱动器的V/F控制模式，允许用户自定义6点（频率，电压）点，应用上有较大灵活性，特别适用于永磁同步电机开环控制。

　　

图5，FC302的V/F点定义

3. 驱动器功率选择

选择永磁同步电机的适配驱动器功率时，主要看永磁同步电机的起动电流，此电流一般较额定电流高，驱动器的额定电流应该大于或等于永磁同步电机的起动电流。永磁同步电机过载时可能产生10倍额定电流以上的失步电流，远远超过异步电机5-7倍的堵转电流，而且开环控制时，驱动器无法作有效的转矩限制保护，因此必须由用户自己负责保证负载不会过载，在不允许跳闸的场合驱动器功率选型要有足够大的裕量；通用变频器的开环自动转矩限制和过压限制功能都是针对异步电机的，很不适应于永磁同步电机，在开环驱动永磁同步电机时要求将这些智能保护功能全部关闭。

三、 永磁同步电动机的运行特性：

　　

忽略定子电阻和漏抗以后，可以得到永磁同步电机简化的矢量图如图六。

其中：

0为转子永磁体产生的感应电势，角度与转子位置保持严格一致。

E0 = W·KW·Ф0·ω ［ 1 ］

W，绕组匝数；

KW，绕组系数；

Ф0，永磁体产生的磁通。

θ， 为外加空间电压矢量与永磁转子之间的夹角。

永磁同步电机的功角特性：

功角特性指的是电磁功率PM随功角θ变化的关系曲线 PM = f （θ） 。

隐极永磁同步电机的功角特性

［ 2 ］

m，相数

将公式［1］带入E0，可得

［ 3 ］

TM ∝ U·sinθ ［ 4 ］

［ 5 ］

空载时，θ为0，即空间电压矢量与转子角度一致；空间电压矢量角度超前转子90°时，永磁同步电动机的输出转矩达到最大值。负载转矩在任何时候都不能超过TMmax，否则会造成失步。

隐极永磁同步电机的功角特性

［ 6 ］

由于凸极反应转矩的影响，隐极永磁同步电机的功角特性变差。

四、开环驱动永磁同步电机时，提高输出性能的办法：

1. 由于凸极永磁同步电机的攻角特性比隐极永磁同步电机的要差，所以对于性能要求较高的应用推荐使用隐极永磁同步电机。

2. 对于隐极永磁同步电机，根据公式［4］，TM ∝ U·sinθ，可知隐极永磁同步电机的负载能力与输入电压成正比，因此提高变频器的开环输出电压，能够提高永磁同步电机的负载能力，防止失步。不过变频器的开环输出电压如果提得太高，会使输出电流功率因数降低，甚至导致励磁电流过流，这就要求根据现场实际负载情况进行调试。

3. 开环控制时，转矩波动引起的转速波动。

从公式［5］可得到比整步转矩：

 ∝ U·cosθ ［ 7 ］

因此可知，U较大时，永磁同步电机的机械特性也较硬，同样的转矩波动引起的角度（转速）波动就比较小。

4. V/F特性曲线的调整办法。

低频时，提高起动电压，主要考虑对定子和导线的电阻和漏感的电压补偿；

中低频时，还有考虑人为增持以提高同步电机的开环运行性能；

高频时，由于负责惯性的平抑作用，调整就比较简单了，只要设置50Hz对应380V就可以了。

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