一、同步電動機的發(fā)展和應(yīng)用
在交流電網(wǎng)上，人們還廣泛使用著交流異步電動機來拖動工作機械。交流異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可*、壽命長、成本低，保養(yǎng)維護簡便。但是，與直流電動機相比，它調(diào)速性能差，起動轉(zhuǎn)矩小，過載能力和效率低。其旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生需從電網(wǎng)吸取無功功率，故功率因素低，輕載時尤甚，這大增加了線路和電網(wǎng)的損耗。長期以來，在不要求調(diào)速的場合，例如風機、水泵、普通機床的驅(qū)動中，異步電動機占有主導地位，當然這類拖動中，無形中損失了大量電能。 過去的電力拖動中，很少采用同步電動機，其主要原因是同步電動機不能在電網(wǎng)電壓下自行起動，靜止的轉(zhuǎn)子磁極在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，平均轉(zhuǎn)矩為零。電機很難啟動。自70年代以來，科學技術(shù)的發(fā)展極大地推動了同步電動機的發(fā)展和應(yīng)用，主要的原因有： 1、 高性能永磁材料的發(fā)展。
80年代初釹鐵硼稀土永磁材料的出現(xiàn)，它具有高的剩磁感應(yīng)強度，高的矯頑力，高的磁能積，這些特點特別適合在電機中使用。它們不足是溫度系數(shù)大，居里點低，容易氧化生銹而需涂復處理。經(jīng)過這幾年的不斷改進提高，這些缺點大多已經(jīng)克服，現(xiàn)釹鐵硼永磁材料最高的工作溫度已可達180℃
2、電力電子技術(shù)的發(fā)展大大促進了永磁同步電動機的開發(fā)應(yīng)用。 70年代出現(xiàn)了通用變頻器的系列產(chǎn)品，可將工頻電源轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率連續(xù)可調(diào)的變頻電源，這就為交流電機的變頻調(diào)速創(chuàng)造了條件。這些變頻器在頻率設(shè)定后都有軟起動功能，頻率會以一定速率從零上升設(shè)定的頻率，而且此上升速率可以在很大的范圍任意調(diào)整，這對同步電動機而言就是解決了起動問題
3、 規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的發(fā)展完全改觀了現(xiàn)代永磁同步電動機的控制，集成電路和計算技術(shù)的發(fā)展對永磁同步電動機控制技術(shù)起到了重要的推動作用。
二、稀土永磁同步電動機的基本結(jié)構(gòu)
稀土永磁同步電動機的定子為三相對稱繞組，與三相異步電動機結(jié)構(gòu)相同。轉(zhuǎn)子上粘有釹鐵硼（NdFeB）磁鋼。驅(qū)動器為交-直-交電壓型逆變器，通過正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）輸出頻率、電壓可變的三相正弦波電壓。
同步電動機的基本控制原理
三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對稱三相正弦波電流，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的角速度ω1=2πf/p,其中p為電動機對數(shù)。這個旋轉(zhuǎn)磁場與已充磁的磁極作用，帶動轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)并力圖使定、轉(zhuǎn)子磁場軸線對齊。當外加負載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁場軸線將落后定子磁場軸線一個θ功率角，負載愈大，θ也愈大，直到一個極限角度θm，電動機失步為止。由此可見：同步電動機在運行中，要么轉(zhuǎn)速與頻率嚴格成比例旋轉(zhuǎn)，否則就失步停轉(zhuǎn)。所以，它的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步。它的靜態(tài)誤差為零；在負載擾動下，只是功率角θ變化，而不引起轉(zhuǎn)速變化，它的響應(yīng)時間是實時的。這是其它調(diào)速系統(tǒng)做不到的。
交流同步電動機它的轉(zhuǎn)速與電源頻率完全成正比。
Ns=60f／p (r／min)
式中 f-電源頻率；
p-極對數(shù)；
Ns-同步轉(zhuǎn)速。
而交流異步電動機，它與同步電動機的區(qū)別在于：轉(zhuǎn)速與電源頻率不成正比，其轉(zhuǎn)速始終比同步電動機還要低，其轉(zhuǎn)差率S為：
N=(1-s)Ns (r／min)
S=(Ns-N)／Ns·100％
稀土永磁同步電動機輿專用永磁同步電動機驅(qū)動器（變頻器）配套構(gòu)成機電一體化產(chǎn)品。電動機的轉(zhuǎn)速n輿設(shè)定頻率f按n= 關(guān)系不變。負載轉(zhuǎn)矩的變化只會起功率角的實時變化，卻不會引起轉(zhuǎn)速變化，靜、動態(tài)指針理想。由于不需要從電網(wǎng)吸收無功電流，轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以它在很寬的負載范圍內(nèi)能保持接近于1的功率因子，其效率比同容量的異步電動機提高8%左右，力能指針（ η×cosφ ）提高18%左右。稀土永磁同步電動機的功率密度比同容量異步電動機提高15%左右。 稀土永磁同步電動機的基頻一般設(shè)定位50、100、150Hz,這樣可以降低成本，使其性能價格比遠高于普通異步電動機加變頻器
同步電動機具有以下主要性能：
(1)調(diào)速精度高、調(diào)速度誤差在1／30000，提高了應(yīng)用行業(yè)產(chǎn)品的制造工藝水平；避免了
(2)調(diào)速范圍寬，20HZ-100HZ。
(3)控制簡便、可*性高，電機采用開環(huán)控制，使得整個變頻控制系統(tǒng)可*性提高、價格降低；
(4)高效率、功率因數(shù)高達0．95以上；
(5該系列電機與變頻控制、計算機聯(lián)網(wǎng)組成全自動調(diào)速控制系統(tǒng)，性能優(yōu)于傳統(tǒng)的其它類調(diào)速電機；
(6)電機的恒轉(zhuǎn)矩輸出和轉(zhuǎn)速不隨負載波動的特性。通過變頻器有效控制，可使其輸出轉(zhuǎn)速保持恒定。
三、 永磁同步電動機在紡織行業(yè)中的應(yīng)用
紡織行業(yè)中的驅(qū)動電機常用的有交流異步電動機、有刷直流電動機和永磁同步電動機（包括無刷直流電動機）三大類
1、 定速驅(qū)動 紡織行業(yè)中有大量的生產(chǎn)機械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運行 對這類機械以往大多采用三相或單相異步電動機來驅(qū)動。異步電動機成本較低，結(jié)構(gòu)簡單牢*，維修方便，很適合該類機械的驅(qū)動。但是，異步電動機效率、功率因數(shù)低、損耗大，而該類電機使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費了。 �！ �2、 調(diào)速驅(qū)動 紡織行業(yè)中有相當多的工作機械，其運行速度需要任意設(shè)定和調(diào)節(jié)，但速度控制精度要求并不非常高。這類驅(qū)動系統(tǒng)在紡織行業(yè)中通常采用齒輪傳動，通過齒輪變換工藝的設(shè)備如：FA506 FA507環(huán)錠細紗機，F(xiàn)A1603氣流紡，KV505牽伸加捻機等。但這些設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)比較復雜，故障率較高，維修難度大。
由于采用齒輪傳動機械結(jié)構(gòu)比較復雜，故障率較高，維修難度大，也就使同步電機在紡織行業(yè)的應(yīng)用顯得很有意義。利用同步電機的調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬、 控制簡便、效率高的特點，將原有的齒輪傳動系統(tǒng)簡化為同步電機傳動，可使原有的傳動系統(tǒng)十分簡潔，更改工藝無需變換齒輪，只需修改控制器的參數(shù)就可以，由于采用同步電機傳動，取消了齒輪箱，有齒輪箱產(chǎn)生的如漏油、齒輪磨損、等一系列問題也就迎刃而結(jié)。具體做法就是將同步電機通過法蘭或底座安裝在傳動軸附近通過同步齒形帶傳動。這種傳動方式在環(huán)錠細紗機羅拉的傳動，主軸電機的傳動以及在氣流紡的應(yīng)用效果都很不錯。下面我就以同步電機在轉(zhuǎn)杯氣流紡紗機中的應(yīng)用為例子對同步電機在紡織行業(yè)的具體應(yīng)用作一個簡單的介紹。
傳統(tǒng)的氣流紡紗機車頭傳動系統(tǒng)采用一臺車頭電機通過皮帶帶動齒輪箱傳動機器兩側(cè)的引紗卷繞和喂棉羅拉，現(xiàn)在市場銷售不錯的大卷裝氣流紡紗機為了更改工藝方便，也只是將引紗和喂棉的傳動分別用兩臺電機傳動，但仍保留齒輪箱。因此一直有一個問題無法解決，就是齒輪箱漏油，齒輪磨損，可*性差，維修不方便等問題。有許多工程師也想出了利用四臺變頻電機分別傳動兩側(cè)的引紗和喂棉羅拉省去了齒輪箱。解決了齒輪箱漏油，齒輪磨損，可*性差，維修不方便等問題，但又帶來了新問題，由于異步電機存在轉(zhuǎn)差，就是異步電機的轉(zhuǎn)速是隨著負載的變化而變化，變化幅度在紡機上經(jīng)實測達3％。這就造成了大紗和小紗時的紗線支數(shù)不同，而且兩臺相同的電機也存在轉(zhuǎn)速差異。使左右側(cè)的紗線支數(shù)差異較大，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。
氣流紡紗機對電氣傳動的要求可以概括為："三高"和"一少"。：
高同步性(一臺紡紗機不同紡位的電機轉(zhuǎn)速要求橫向轉(zhuǎn)速一致，縱向比例同步)；
高精確性(轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，精確度)；
高可*性(至少保證一年安全連續(xù)運行8000h)。
少維修或免維修。
由于同步電動機轉(zhuǎn)速精度僅決定于供電頻率精度，與負荷變化無關(guān)。為了保證纖維的纖度均勻，采用了高精度的變頻調(diào)速器和永磁式同步電動機，無需采用閉環(huán)控制，就可以保證電機轉(zhuǎn)速精度達到0.1％~0.01％水平。因此很好的解決了氣流紡紗機對電氣傳動的要求高的難題。
控制回路圖
永磁同步電動機與變頻器的配合中，關(guān)鍵是個壓頻比的問題。通用變頻器根據(jù)不同的電機特性可以設(shè)置不同的壓頻比。在實踐中發(fā)現(xiàn)，當電機不在自己的運行曲線下，電機將發(fā)生下列現(xiàn)象(1)不能啟動；(2)電流增大；(3)噪音；(4)振動；(5)溫升過高等問題,一定要認真設(shè)置。
我門在一家紡織企業(yè)經(jīng)過實際測試在引紗變頻頻率為40.1HZ時，采用異步電機傳動和采用同步電機傳動進行了對比，結(jié)果見下表。
電機類型 左側(cè)引紗空載 右側(cè)引紗空載 左側(cè)引紗帶負載 右側(cè)引紗帶負載
同步電機 802 802 802 802
異步電機 781 752 743 711
從表中可以得出結(jié)論永磁同步電機的轉(zhuǎn)速性能大大優(yōu)于異步電機
四、 永磁同步電動機的應(yīng)用前景
由于電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動機的控制技術(shù)亦已成熟并日趨完善。以往同步電動機的概念和應(yīng)用范圍已被當今的觀念大大擴展�？梢院敛豢鋸埖卣f，永磁同步電動機已在從小到大，從一般控制驅(qū)動到高精度的伺服驅(qū)動，從人們?nèi)粘Ｉ畹礁鞣N高精尖的科技領(lǐng)域作為最主要的驅(qū)動電機出現(xiàn)，而且前景會越來越明顯。 |
