丹佛斯的FC302變頻驅(qū)動器的性能及應(yīng)用研究

引言

化纖行業(yè)纖維牽伸和玻璃制造行業(yè)成品傳輸都要求非常高的轉(zhuǎn)速控制精度，一般采用永磁同步電機驅(qū)動，并用變頻器作開環(huán)調(diào)速驅(qū)動，丹佛斯變頻器由于性能穩(wěn)定、可靠性高，在這兩個行業(yè)有很久的應(yīng)用歷史。為了進一步提高設(shè)備運行的可靠性和改善永磁同步電機低速時的輸出性能，我們就永磁同步電機的基本特性進行分析，提出了一些有益的辦法。

一、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)特點：

普通的永磁同步電機機構(gòu)如圖一，定子為普通的硅鋼片，導(dǎo)磁性能良好；轉(zhuǎn)子表面覆蓋永磁體，轉(zhuǎn)子內(nèi)部依然為導(dǎo)磁性能良好的鐵。轉(zhuǎn)子與定子之間的氣隙約0.2毫米，與普通異步電機相仿。

圖1，永磁同步電機的結(jié)構(gòu)

現(xiàn)代主流永磁同步電機多采用稀土永磁材料做永磁體，由于稀土永磁材料具有非常大的內(nèi)稟矯頑力，其磁化特性曲線接近矩形，在矯頑點以下，磁化率幾乎與空氣相同。因此在進行磁路分析時，稀土永磁體可以被視作氣隙處理。所以永磁同步電機的內(nèi)部等效氣隙要比異步電機大得多。

從d軸電感Xd和q軸電感Xq的電參數(shù)的差異來分類，稀土永磁同步電機可以分為隱極同步電機和凸極同步電機兩種。

隱極永磁同步電機的主要特點為永磁體貼于均勻轉(zhuǎn)子上，通過修正永磁體的表面形狀，確保氣隙磁勢為正弦波。磁路上d軸與q軸氣隙是相同的，因此：Xd = Xq

凸極永磁同步電機的主要特點為電機實際氣隙是均勻的，但d軸磁路氣隙等于電機氣隙加永磁體的厚度，而q軸磁路氣隙等于電機氣隙，因此通常有：Xd 《 Xq

二、 變頻器開環(huán)驅(qū)動永磁同步電機的注意事項：

1. 電機紋波電流的影響

由于永磁同步電機的內(nèi)部等效氣隙要比異步電機大得多，因此永磁同步電機有比異步電機小得多的主電感和電氣時間常數(shù)，這在控制上有電流響應(yīng)快的好處，但是變頻器通常是被設(shè)計為驅(qū)動大電感量的異步電機的，如被用于驅(qū)動永磁同步電機，變頻器的輸出電流紋波將比驅(qū)動異步電機時的電流紋波大得多。

在這種工況下，許多未經(jīng)特別設(shè)計的變頻器會發(fā)生故障或令使用壽命大大縮短。丹佛斯的FC302變頻器是專門針對驅(qū)動永磁同步和異步伺服電機而設(shè)計的一款驅(qū)動器，變頻器設(shè)計時已經(jīng)對較高的載波紋波電流對變頻器的硬件和控制軟件的影響有所考慮；同時還令變頻器輸出PWM方波的電壓突變率受到特殊限制。經(jīng)過工廠內(nèi)部的充分測試和大量用戶現(xiàn)場長時間的實際應(yīng)用考驗，證明了FC302驅(qū)動器驅(qū)動永磁同步電機的長期可靠性。

2. 變頻器的電機控制模式

變頻器開環(huán)控制時一般有VVCplus控制、無轉(zhuǎn)速反饋磁通矢量控制和V/F控制（標(biāo)量控制）等幾種控制模式，其中VVCplus控制和無轉(zhuǎn)速反饋磁通矢量控制都是針對異步電機的控制模式，不能用在同步電機控制上，因此只能使用V/F控制。

丹佛斯FC302驅(qū)動器的V/F控制模式，允許用戶自定義6點（頻率，電壓）點，應(yīng)用上有較大靈活性，特別適用于永磁同步電機開環(huán)控制。

圖5，F(xiàn)C302的V/F點定義

3. 驅(qū)動器功率選擇

選擇永磁同步電機的適配驅(qū)動器功率時，主要看永磁同步電機的起動電流，此電流一般較額定電流高，驅(qū)動器的額定電流應(yīng)該大于或等于永磁同步電機的起動電流。永磁同步電機過載時可能產(chǎn)生10倍額定電流以上的失步電流，遠遠超過異步電機5-7倍的堵轉(zhuǎn)電流，而且開環(huán)控制時，驅(qū)動器無法作有效的轉(zhuǎn)矩限制保護，因此必須由用戶自己負責(zé)保證負載不會過載，在不允許跳閘的場合驅(qū)動器功率選型要有足夠大的裕量；通用變頻器的開環(huán)自動轉(zhuǎn)矩限制和過壓限制功能都是針對異步電機的，很不適應(yīng)于永磁同步電機，在開環(huán)驅(qū)動永磁同步電機時要求將這些智能保護功能全部關(guān)閉。

三、 永磁同步電動機的運行特性：

忽略定子電阻和漏抗以后，可以得到永磁同步電機簡化的矢量圖如圖六。

其中：0為轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的感應(yīng)電勢，角度與轉(zhuǎn)子位置保持嚴格一致。

永磁同步電機的功角特性：

◆ 功角特性指的是電磁功率PM隨功角θ變化的關(guān)系曲線 PM = f （θ） 。

空載時，θ為0，即空間電壓矢量與轉(zhuǎn)子角度一致；空間電壓矢量角度超前轉(zhuǎn)子90°時，永磁同步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩達到最大值。負載轉(zhuǎn)矩在任何時候都不能超過TMmax，否則會造成失步。

◆ 隱極永磁同步電機的功角特性

由于凸極反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的影響，隱極永磁同步電機的功角特性變差。

四、開環(huán)驅(qū)動永磁同步電機時，提高輸出性能的辦法：

1. 由于凸極永磁同步電機的攻角特性比隱極永磁同步電機的要差，所以對于性能要求較高的應(yīng)用推薦使用隱極永磁同步電機。

2. 對于隱極永磁同步電機，根據(jù)公式［4］，TM ∝ U·sinθ，可知隱極永磁同步電機的負載能力與輸入電壓成正比，因此提高變頻器的開環(huán)輸出電壓，能夠提高永磁同步電機的負載能力，防止失步。不過變頻器的開環(huán)輸出電壓如果提得太高，會使輸出電流功率因數(shù)降低，甚至導(dǎo)致勵磁電流過流，這就要求根據(jù)現(xiàn)場實際負載情況進行調(diào)試。

3. 開環(huán)控制時，轉(zhuǎn)矩波動引起的轉(zhuǎn)速波動。

因此可知，U較大時，永磁同步電機的機械特性也較硬，同樣的轉(zhuǎn)矩波動引起的角度（轉(zhuǎn)速）波動就比較小。

4. V/F特性曲線的調(diào)整辦法。

低頻時，提高起動電壓，主要考慮對定子和導(dǎo)線的電阻和漏感的電壓補償；

中低頻時，還有考慮人為增持以提高同步電機的開環(huán)運行性能；

高頻時，由于負責(zé)慣性的平抑作用，調(diào)整就比較簡單了，只要設(shè)置50Hz對應(yīng)380V就可以了。