永磁调速机范文（精选8篇）
永磁调速机 第1篇
目前,应用较广的永磁调速机主要有2种形式: 一种是筒式结构,另一种是盘式结构。它们都是利用永磁体与金属导体之间相对运动,永磁产生涡电流,涡电流产生的磁场与永磁体的磁场相互作用,产生磁力,这个磁力作用在圆周上就形成扭矩, 负载在扭矩作用下旋转。运用调速机构使永磁体与金属导体之间间隙发生变化,也就是磁通量发生变化,产生的感应涡电流随着变大或变小,相互磁作用力也随着变大或变小,这样就实现了转速变大或变小,即实现调速功能。具体地说,调速机构使永磁体与金属导体之间间隙变小,磁通量变大,磁场强度变强,导体转子与永磁体在电机的驱动下, 产生相对运动,也就是导体转子与永磁体之间有滑差,导体转子中正对永磁体的导体部分产生感应涡电流随着变大,相互磁作用力也随着变大,磁力作用在圆周上形成的扭矩变大,负载转速升高; 调速机构使永磁体与金属导体之间间隙变大,磁通量变小,磁场强度变弱,导体转子与永磁体在电机的驱动下,产生相对运动,导体转子与永磁体之间有滑差,导体转子中正对永磁体的导体部分产生感应涡电流随着变小,相互磁作用力也随着变小,磁力作用在圆周上形成的扭矩变小,负载转速降低。
2常用调速设备特性对比
目前,工业应用较广泛的3种调速设备是永磁调速机( 永磁调速) 、变频器和液力耦合器,对三者之间各项性能进行对比如表1所示。
通过表1可以明显看出永磁调速机的优势明显,未来在许多领域将取代变频器和液力耦合器。
3永磁调速机的常用散热方法
目前,永磁调速机的常用散热方法是利用铝散热片散热,在某些场合,例如在冶金、化工的特殊生产工艺流程中,如果永磁调速机所处周围环境温度较高,那么导体转子的散热仍存在一定问题。如热量持续积累且周围环境温度维持高温,则可能会导致永磁体退磁。有些永磁调速机的导体转子采用金属铝作为导体,在严重情况下,铝导体被感应的涡电流产生的热而熔化,从而使永磁调速机无法正常运行。永磁调速机结构示意图如图1所示。
4永磁调速机散热方法改进
该方法所解决的技术问题是提供一种结构简单、可靠性高、安装方便并且具有更好散热性的水雾式风冷永磁调速机,以克服现有技术上的缺陷、 扩大永磁调速机的使用场合。
该方法解决其技术问题所采用的技术方案为: 一种具有更好水雾式风冷散热系统的永磁调速机, 包括一个喷淋装置、固定于永磁节能调速机导体转子上的冷却风扇及在导体转子外表面上的横向冷却槽及散热翅。
该方法中所述喷淋装置由1根进水管以及多个喷淋头组成。喷淋头上开有若干小孔,孔径间隙可调节。该喷淋头可喷出的连续不间断的水雾或水滴。冷却风扇其一端固定在导体转子的纵向冷却槽上。所述喷淋头安装在冷却风扇与电机之间的任意位置。
该方法: 可通过可调节孔径的喷淋头喷出的小水雾/水滴快速带走导体转子上积累的大量热量,保证永磁铁处于正常工作温度范围之内,使永磁调速机的稳定性及安全性得以提高。
水的汽化热为40. 8k J/mol,相当于2260k J/kg。 一般情况下,使水在其沸点蒸发所需要的热量5倍于把等量水从1℃加热到100℃所需要的热量。
空气的比热容量( 基本) : 1030J/( kg·℃) ; 水的比热容量( 基本) : 4200J/( kg·℃) ,即水的散热效果比空气好。
导体转子中的金属导体工作时的温度有部分在100℃以下,部分在100℃以上。
本方法散热效果由两部分组成: 1) 金属导体工作时的温度在100℃以下部分的散热效果提高4倍; 2) 金属导体工作时的温度在100℃ 以上部分的散热效果提高200倍( 假定风冷降温40℃) 。
5应用前景
风冷型永磁调速机结构简单,水冷型永磁调速机结构复杂。风冷型永磁调速机只需有敞开的环境,自身利用风的流动散热降温,要求低; 水冷型永磁调速机需要外接水源冷却,水源要求必须为清洁水源,水质、水量、水温都有很高的要求。冷却水质的要求是除盐水,很多地方无法提供除盐水。冷却系统设计复杂,需要有循环系统( 水箱、泵) 、换热系统、外部水冷却系统,测量系统、控制系统等等, 系统复杂,故障点多。风冷型永磁调速机几乎没有运行成本,维护成本低; 水冷型产品水冷系统运行成本高,维护成本高。风冷永磁调速机目前实际运用中,由于散热问题,最大功率小于355k W。水雾式风冷永磁调速机突破了散热瓶颈,使得风冷永磁调速机最大功率可达500k W,这将使风冷永磁调速机得到更为广泛地应用。
摘要：随着国内节能减排行业的蓬勃发展,永磁调速机(又称永磁调速器)已开始逐步成为工业领域中普遍使用的节能调速装置之一。针对现有永磁调速机的散热问题,提供一种结构简单、可靠性高、安装方便并且具有更好散热性的水雾式风冷永磁调速机,以克服现有技术上的缺陷、扩大永磁调速机的使用场合。
永磁调速机 第2篇
关键词：永磁同步电机；调速控制；免疫PID控制
中图分类号：TP273 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 08-0000-01
Permanent Magnet Synchronous Motor Control System Study on Sewing Machine
Sun Lin
(Zhejiang Shuren University,Hangzhou310015,China)
Abstract:The traditional PID control and immune PID control in permanent magnet synchronous motor(PMSM)speed control system for comparison.The test results show that the immune control system PID control method has small overshoot,fast response,good robustness,the advantages of strong anti-interference ability.This is a very high performance requirements for sewing machines,the use of immune PID control better improve its performance.
Keywords:Permanent magnet synchronous motor;Speed control;Immune PID control
一、工业缝纫机系统
工业缝纫机伺服控制系统主要有四个部分组成伺服控制器、伺服电机、功率驱动器、电磁阀。伺服控制器和人机接口主要实现的功能：控制单台电机即主驱动电机的运动，面向操作者，接收设定的信息，显示运行状况，驱动电磁铁，完成辅助机构的功能，如：剪线、扫线、前后加固等。功率驱动器主要完成伺服电机的定子电流的产生，并保护电路不被损坏。电磁阀辅助缝纫机完成自动剪线、自动扫线、自动反缝、自动抬压脚等功能。
二、免疫控制系统设计原理
免疫控制器是借鉴生物系统的免疫机理而设计出的一种非线性控制器。免疫是生物体的一种特性生理反应，生物体的免疫系统对于外界入侵的抗原，可产生相应的抗体来抵御。抗原和抗体结合后，会产生一系列的生物反应，通过吞噬作用或产生特殊酶的作用而毁坏抗原。生物的免疫系统由淋巴细胞和抗体分子组成。淋巴细胞又由胸腺产生的T细胞（分别为辅助T细胞TH和抑制细胞）TS和骨髓产生的B细胞组成。当抗原侵入机体并经周围细胞消化后，将信息传递给T细胞。即传递给TH细胞和TS细胞，然后刺激B细胞。B细胞产生抗体以消除抗原。
生物免疫系统通过上述的免疫机理，可知其抗御抗原的自适应能力却非常明显。将其特性运用在永磁同步电机调速系统的动态调节过程中，也就是要求在保证系统稳定的前提下，快速消除转速误差，这与免疫系统的总目标是一致的。
由此，可以得出免疫PID控制器基本模型：假设第k代的抗原数量为e（k），由抗原刺激的TH细胞的输出为TH（k），Ts细胞对B细胞的影响为TS（k），则B细胞接受的总刺激为
=-（1）其中==
以PI控制器的输出作为抗原的数量e（k），即免疫控制器的输入；B细胞接受的总刺激作为系统输出，即永磁同步电机的控制电压。由此得到如下反馈规律：
={-}={1-}=（2）式中：，分别为细胞促进因子和细胞抑制因子；为选定的表示抑制比例的非线性函数，为控制响应速率，为控制稳定效果，=/。其中为常规PID控制器中输出的控制量，表达式如下：＝＋＋（3）将式（3）代入（2）式，得＝（4）其中，，分别为PID的比例，积分和微分参数。
三、采用免疫PID控制的调速系统结构
在负载波动较大或对速度转矩控制控制精度较高的缝纫机应用场合，传统的PID控制很难满足要求。所以需针对缝纫机伺服系统进行改进，速度环不再沿用常规的PI或PID调节器，而是替换为免疫PID控制器。其目的在于：充分发挥免疫机理和模糊控制两者的优点，在保证系统控制精度的前提下，达到提高系统快速性且确保控制鲁棒性的目的。
四、实验结果
为了验证效果，在PMSM调速系统上使用免疫PID控制，与采用常规PID控制方式进行比较。实验用永磁同步电机各项参数设置为：额定电压U=300V，额定功率P=400W，额定转速n3=2000r/min，定子每相绕组电阻R=7.5Ω，定子d相绕组电感Ld=32mH，q相绕组电感Lq=75mH，转动惯量J=0.0021kg·m2，电机极对数p=2。输入额定转速n3=2000r/min，免疫控制参数：k1=0.4，η=0.6。空载起动，在0.4s时突加负载TL=1N·m，得到的电机转速响应曲线如图4和图5所示。
图4.免疫PID控制速度曲线图5.常规PID控制速度控制
经比较可以看出：对于免疫PID控制，系统响应快速且超调量小，在突加负载的情况下，又能迅速恢复到平衡状态，稳态运行时无静差。对比常规PID控制（图5）可知：常规PID控制不仅使输出超调明显，而且在突加负载后转速偏差较大，控制精度较低。
五、结论
从实验结果可以得出：采用免疫PID控制的PMSM调速系统具有响应快、超调小、脉动幅度小、抗干扰能力好等特性，较常规PID控制具有良好的稳定性、响应速度、抗干扰能力等优势。验证了免疫PID控制应用于工业缝纫机的调速控制当中具有更快的启动速度、更平稳和更好的抗干扰能力。
参考文献：
[1]王明亮.基于永磁同步电机的工业缝纫机控制系统[J].2006
[2]王易.免疫学导论[M].上海中医药大学,2007
永磁调速器优化设计 第3篇
沙角C电厂原滤液水泵采用皮带传动的方式运行, 具有结构简单、易于维护、维护成本低廉的特色。但是, 随着电厂自动化水平的不断提高以及人们对设备运行稳定可靠性的更高要求, 沙角C电厂决定用MAC-DH520型永磁调速器替代现有的皮带传动。改造后滤液泵能根据脱硫系统工艺要求或滤液水箱的水位变化实现自动和人工手动调速运行, 以满足脱硫系统负荷波动对滤液水供给量需求的变化。
2 永磁调速器介绍
2.1 永磁调速器工作原理与结构
永磁调速器, 全称永磁磁力耦合调速驱动, 其工作原理是通过调节铜导体和永磁体之间的气隙, 即可控制转矩传输, 从而实现电动机与负载间无机械链接的速度调节。
如图1所示, 永磁调速器主要由导体转子、永磁转子和调节机构三部分组成。导体转子固定在电动机轴上, 永磁转子固定在负载转轴上, 导体转子和永磁转子之间有间隙 (称为气隙) 。这样电动机和负载即可通过调节永磁体和导体之间的气隙实现输出转矩变化, 从而实现负载转速变化。
磁感应原理是通过磁体和导体之间的相对运动产生。也就是说, 永磁调速器的输出始终都比转速小, 转速差称为滑差。一般情况下, 电机满转时, 永磁调速器的滑差在1%~4%之间。
2.2 永磁调速器的特点
由于永磁调速器输入转矩总是等于输出转矩, 因此电动机只需要产生负载所需要的转矩。其次, 永磁调速器传输能量和控制速度的能力不受电动机轴和负载轴之间由于安装未对准而产生小角度或者小偏移的影响。由于没有机械链接, 即使电动机本身引起的震动也不会引起负载震动, 从而有效降低整个系统的震动问题。本次改造选用的永磁调速器为MAC-DH520空冷水平直联型永磁调速器。
2.3 永磁调速器与高压变频器的比较
高压变频器采用复杂的电路拓扑将数以万计的电力电子元件串并联, 实现对高压电机的输入频率及输入电压的改变, 从而实现电机的转速变化, 属于电气调速。永磁调速器采用高强度的磁转子与铜转子相互作用, 电机与负荷没有机械连接, 通过调节气隙的大小实现负荷调速, 电机转速不变, 负荷调速属于机械调速。表1为高压变频器与永磁调速器特性比较。
3 确认改造方案
现场原滤液水泵和电动机是横向轴端平行并排布置安装, 采用皮带传动结构, 轴中心距与安装基础钢结构平台的高度为480mm, 如图2、图3所示。
MAC-DH520型永磁调速器安装在电机与水泵的中间, 采用对轴纵向平行结构布置, 如图4所示。
为满足永磁调速器设备安装要求, 需要重新在水泵纵向对轴平行位置建造一个钢筋混凝土结构的基础, 并与现有基础相连。新基础距离地面高为550mm, 距离现有基础长为1740mm, 距离现有基础水泵侧端面宽为1140mm。新基础应按承重不低于2000kg的强度进行建造, 在建造时应预埋4根不小于M24mm的螺栓, 预埋深度应不少于450mm, 用于固定电动机底座, 大致结构如图5所示。
根据现场情况制作电动执行器的安装支架, 以保证电动执行器的中心高与水泵轴的中心高相等, 支架结构如图6所示。利用安装支架固定电动执行器, 使推杆与MAC-DH520型永磁调速器保证垂直连接, 以保证电动执行器动作准确。
根据设备的需求, 合理布置电源及控制线路, 安装就地自动控制箱, 实现自动调速功能, 同时还要确定相对应的控制逻辑。
4 实际使用
MAC-DH520型永磁调速器在生产中的实际操作和控制界面如图7所示。
可以看到, 只需按具体的调节需要确定采样周期、调节时的比例与积分, 即可交由PLC根据给定的液位来自动调节水泵出力, 实现自动调节水位及水泵出力的目的。
在实际现场控制中, 水泵的出力通过调节气隙的方式实现, 而气隙的调节则通过螺旋安装的气隙控制器来实现。因此, 气隙的控制只需经连杆联结在一台电动执行器上即可, 如图8所示。
由此可见, 在日常对永磁调速器的维护中, 主要工作只需维护电动执行器即可, 结构简单, 工作量小。
5 结语
永磁涡流调速器研究与应用 第4篇
面对日益严重的雾霾空气污染等问题,节约能源是当前我国经济社会发展的重大战略方针。在我国的电力消耗系统中,电机是重要的工业耗能设备,其耗电量约占全国总用电量的64%[1]。因此,电机系统的节能被列为我国十大重点节能工程之一。风机、水泵作为通用类机械,在国民经济各部门中应用的数量众多,分布面极广,耗电量巨大。据有关部门的统计,我国风机、水泵电动机装机总容量约1.5亿k W,耗电量约占全国电力消耗总量的30%-40%左右[2]。在工程应用时,风机和泵均以最大需求来设计,留有很大的裕量,通常有一半以上时间是处于轻载运行,在实际运行时需采用挡板或阀门节流调节风速或流量以满足工况需求,大量能源浪费在节流损耗上,致使系统运行效率只有30-50%,可以看出风机、水泵系统的节能潜力巨大。为解决这一问题,高耗能企业纷纷采用调速技术代替挡板和阀门,以实现流量或压力的连续控制,提高风机、水泵系统的运行效率,达到节能降耗的目的。
目前调速的方式主要有液力耦合调速、变频调速、永磁调速3种形式。液力耦合器能够无级调速,调速范围大,用于大功率的泵或风机的变速调节。但液力耦合器是一种耗能型的机械调速装置,调速效率低,属于低效调速装置[3]。变频调速具有调速效率高、范围宽、精度高等优点[4]。但高压变频器易产生高次谐波,对电动机和电网都会产生不良影响;同时,引起电动机转矩产生脉动,使电动机和负载的寿命降低[5]。而且比较“娇贵”,对环境要求高,高压环境下故障率高,安全性差,需要专业人员维护,维护费用高。
永磁涡流调速是近些年发展起来的一项新的调速节能技术,通过永磁体与导体之间的相对运动来实现传动和调速,具有高效节能、有效隔离降低振动、安装简单、运行可靠、寿命长、维护费用少、适应环境能力强等优点。尤其是其不产生高次谐波且低速下不造成电机发热的优良调速特性使其成为风机、水泵类设备节能技术改造的首选。
电力、石化、化工等高耗能行业中风机和水泵是最主要的耗电设备,而这些企业目前面临着严峻的节能减排指标。同时国家《节能减排“十三五”规划》中也明确电机节能是重点解决的领域。随着永磁涡流调速技术的研究和应用,可以推动我国电机调速节能技术的应用,促进节能减排目标实现,不仅具有重要的科学意义,而且具有重大的工程应用价值,具有巨大的市场潜力和社会经济效益。
1 永磁涡流调速介绍及调速原理
永磁涡流调速属于磁力传动技术的一种,最早于1993年由美国Magnaforce公司提出,并于1999年取得突破性进展,设计的盘式永磁涡流调速器成功对风机、水泵等离心式负载进行了调速,大大提高了电机效率,具有良好的节能效果[6,7]。其结构和工作原理如图1所示,主要由铜导体转子、永磁转子和气隙调节机构3部分组成,其中导体转子固定在电动机轴上,永磁转子固定在负载转轴上。当导体转子旋转时,导体转子与永磁转子产生相对运动切割磁力线,交变磁场通过气隙在导体转子上产生涡流;同时涡流产生感应磁场与永磁场相互作用,从而带动永磁转子沿着与铜转子相同的方向旋转,结果是在负载侧输出轴上产生转矩,带动负载做旋转运动。通过调节机构调节永磁体和导体转子之间的气隙间隙就可以控制输出转矩的大小,从而获得可调整的、可控制的、可以重复的负载转速,实现负载转速的调节。
盘式永磁涡流调速器在知识产权上受制于Magna Force公司,国内学者和企业设计了新型的筒式结构永磁涡流调速器[8~10],如图2所示。通过调节器调节导体转子和永磁转子在轴线方向的相对位置,改变两者间的啮合面积,就可以控制输出转矩的大小,从而实现负载转速的条件。啮合面积大,永磁调速器输出转矩就大,负载转速高;啮合面积小,输出转矩就小,负载转速低。实验数据表明[12]在同等功率情况下筒式永磁涡流调速器相对于盘式具有调速范围大,散热容易,体积小、质量轻、转动惯量小,对系统的影响小,能够零负载启动,前期安装和后期维护简单等优点。
永磁涡流调速器根据功率的大小对涡流产生的热量采用风冷或者液冷进行冷却降温。永磁涡流调速器功率在300 k W以上特别是1 000 k W、2 000 k W大功率时,由于涡流损耗较大,风冷已不能满足散热的要求,须采用水冷的方式对铜导体转子进行散热。
2 永磁涡流调速技术的研究现状
2.1 永磁涡流调速器的研究现状
目前,对于永磁涡流调速器的研究主要集中在磁场分析、涡流损耗、结构参数对于调速性能的影响。Thomas[13]建立了永磁涡流耦合器的二维有限元模型,研究了设计参数对永磁涡流耦合器转矩特性的影响规律,并通过样机实验验证了有限元分析的准确性。A.Wallace[14]对小功率的盘式永磁涡流调速器进行了研究分析,通过建立其数学模型,分析计算了调速器所传递转矩和轴向力,对调速特性进行理论分析并与实验数据进行了对比。William[15]从应用的角度对永磁涡流调速器进行研究,对永磁涡流调速器和变频调速器进行了对比实验。实验结果表明永磁涡流调速器具有良好的节能效果和应用前景。Aldo[16]采用二维解析法对盘式永磁涡流耦合器进行了磁场分析,并分析结构参数对输出转矩的影响;并采用三维解析法对分析计算结果与三维有限元模型的结果进行对比。Hamideh[17]采用二维有限元分析模型对盘式永磁涡流调速器的性能进行研究,并通过实验验证有限元分析结果。Adel[18]研究了磁力驱动器的涡流损耗计算,使用了解析法和有限元法对磁力驱动器分别进行了分析,并将2种方法的计算结果进行了对比。采用二维模型分析时,忽略端部效应对气隙磁场的影响,会产生一定的计算误差。近几年我国各大高校也开始了对永磁调速器的研究。东南大学的林鹤云教授[19]基于三维运动涡流场有限元模型分析了盘式永磁涡流联轴器的电磁场分布、输出功率和转矩以及结构参数对装置特性的影响,据此进行了优化设计,并针对风冷式永磁调速器采用对流系数对铜导体转子进行了稳态热分析[20]。江苏大学的杨超君教授对可调速异步盘式磁力联轴器的传动特性[20,21,22]、影响因素[23]以及优化设计[24]进行了研究。吉林大学的张宏刚[25]、张清[26]对永磁调速器的涡流损耗和温度场进行了计算和分析。江苏大学的管春松[27]对盘式永磁调速器的电磁场和温度场进行了分析。此外哈尔滨工业大学、东北大学、沈阳工业大学等国内著名高校也对盘式永磁涡流调速器的性能进行了研究[28~30]。以上研究针对于Magna Force公司的盘式永磁涡流调速器进行研究,但对于产品来说就受到专利方面的限制。
目前对于筒式永磁涡流调速器的研究较少。Aldo[31]在盘式结构永磁涡流调速器的分析基础上,建立筒式永磁涡流耦合器二维有限元模型,与解析模型的计算结果相比较,确定了解析法计算的修正系数,并利用遗传算法和模糊理论完成了筒式永磁涡流调速器的多目标优化设计,得到了符合要求的结构设计参数[32]。段新亮[9]建立了异步式永磁调速装置的二维电磁场理论模型,分析了电磁场和涡流场的分布规律,并探讨了啮合面积对扭矩特性的影响规律。周丽萍[10]建立了永磁涡流调速器的二维三维模型,计算了电磁场、涡流场和温度场的分布规律,分析了结构参数对调速特性的影响规律,并通过样机对调速特性进行了试验研究。杨超君[11]利用有限元软件对可调速同轴式异步磁力联轴器进行三维瞬态磁场模拟,分析研究了轴向位移变化对磁力联轴器的传动特性的影响。
永磁涡流调速器通过永磁场和涡流感应磁场作用实现传动,涡流损耗引起温升;结构在磁场、温度场的作用下强度、变形和振动性能会发生变化,影响系统的运行稳定性和寿命。永磁涡流调速器存在磁场、温度场、流场、结构场的多物理场耦合,涉及力、磁、热、流以及固体相互作用的多场问题,是机-电-液-磁多学科的交叉。但目前上述研究对永磁缓速器的研究多从理论角度求解单物理场的分布,针对于小功率风冷盘式永磁涡流调速器的磁场、涡流、温度场分别计算,根据磁场分析的结果,计算涡流损耗。以涡流损耗作为内热源分析温度场。并没有考虑流场、温度场、磁场等多场耦合的情况。如对于温度场而言,铜导体转子表面散热系数与物体的表面温度、冷却介质的温度、冷却介质的流速等各项参数有关,流场和温度场相互耦合。但上述研究假设热源载荷平均施加在发热体内;只考虑表面与周围空气的对流换热,不考虑传热过程中的辐射散热,并且导热系数为常数。另外,温度场与磁场也存在弱耦合关系,涡流损耗作为温度场控制方程的内热源,随着温度升高,铜导体的电阻率、相对磁导率和导热系数都会发生变化,会引起涡流损耗变化。因此,对于永磁涡流调速器尤其是大功率调速器的研究和设计,应着重考虑水冷式大功率永磁涡流调速器的电场、磁场、温度场、流场及结构场间多物理场的耦合问题,从而提高永磁调速器的性能,推动其在节能降耗领域的广泛应用。
2.2 永磁传动技术的相关研究
永磁涡流调速器属于永磁传动技术的范畴,典型应用包括磁力泵、磁力联轴器、永磁离合器、磁力轴承、永磁缓速器等。江苏大学的杨超君教授从耐高温磁力泵的角度对磁力传动装置进行了研究,针对异步磁力联轴器的传动特性、涡流损耗和温度场进行了系统分析[33],但导体部分位于内转子上,由涡流引起的高温散热问题不易解决。永磁缓速器与永磁涡流调速器原理类似,永磁涡流调速器是通过永磁场和涡流磁场的相互作用传递力矩调速,而永磁缓速器是通过永磁场和涡流磁场的相互作用产生制动力矩减速。因此有关永磁缓速器的研究可以为永磁涡流调速器的研究提供参考。南京农业大学的赵小波[34]针对永磁涡流缓速器的制动力矩、电磁场和制动性能进行研究。北京工业大学的叶乐志[35]、焦兵锋[36]针对液冷式永磁涡流缓速器多场耦合特性进行了研究,并优化了盘式永磁缓速器的结构,试验结果表明多场耦合计算结果比单场分析结果更接近试验值。江苏大学何仁教授领导的课题组也对永磁缓速器作了很多研究工作,重点集中在缓速器制动力矩计算[37],转子温度分析[38,39],热-磁耦合场分析等方面,指出在磁场和温度场分析中必须考虑电阻率、磁导率和导热系数的变化[40]。从永磁涡流缓速器的研究也可以看出对于采用永磁涡流原理的调速器的研究也应进行多物理场耦合方面的研究。
3 应用案例
国内中石化、中石油、华电集团、华能集团、国电集团、神华集团等大型高耗能企业先后运用永磁涡流调速技术针对风机和水泵进行节能改造[41,42,43,44]。如图3所示为某电厂企业的改造现场图,电机功率为630 k W,改造前水泵利用阀门节流调节流量;利用筒式永磁涡流调速器改造后,通过调节水泵的转速调节流量,根据现场运行的统计数据,节电率可以达到25%,每年可以节约电能126万k Wh,节能效果明显,从后期的维护来看成本也较低。
4 结语
永磁涡流调速器为电机的调速节能提供了一种新的选择,具有较好的应用前景和推广价值。在永磁涡流调速器的电磁场、涡流场、传递力矩和温度场等的计算分析方面均已经取得一定进展,然而作为一种新产品,本身仍处于结构改进和性能优化的过程中,有必要在已取得研究成果的基础上,并借鉴相关永磁传动技术研究的成果和方法对其进行更深入的研究。
摘要：永磁涡流调速是一种新型电机调速节能技术,具有可靠性高、制造和维修成本低、对电网没有谐波污染等优点,是电机调速节能领域的研究热点,已引起了许多国内外学者和高耗能企业的广泛关注。介绍了永磁涡流调速器的发展状况和工作原理,综述了永磁涡流调速技术及永磁传动技术的研究现状,结合实际案例表明永磁涡流调速对风机水泵系统具有显著的节能效果。
永磁电机调速系统的滑模变结构控制 第5篇
现代交流伺服系统中, 永磁同步电机 (PMSM) 以其优异的性能在航空航天领域、工业自动化、数控机床、机器人及特种加工等场所得到了广泛应用, 但由于PMSM是一个多变量、强耦合、非线性、变参数的复杂对象。所以, 采用常规的PID控制, 虽然能在一定程度上满足控制的要求, 但是PID对系统的数学模型要求的精度比较高, 容易受到外来干扰和系统内部参数的变化鲁棒性不强。现代控制理论中出现的模糊控制, 自适应控制, 神经控制的理论, 虽然可以提高系统的运行性能, 当时都各有缺点。模糊控制中因为模糊化, 专家规则库, 去模糊化的应用, 使得系统的控制精度不高;神经网络 (RP) 控制器因为需要自适应学习, 需要比较长的数据处理时间来调整系统的参数, 这样神经网络控制如果要缩短控制时间则需要使用速度很快的微处理器, 无形中加大了系统设计的成本;自适应控制对系统的负载速度变化比较敏感。20世纪50年代出现的滑模变结构控制理论是一种非线性控制理论, 滑模变结构控制以其对系统数学模型精确度要求不高, 对系统参数摄动和外部扰动具有完全鲁棒性等优点, 在高性能的永磁同步电机 (PMSM) 控制系统中有很好的应用前景。滑动模型控制 (Sliding Model Control) , 简称滑模控制在永磁电机中的应用, 相关的文献和国内国际上的专家进行了深入的研究, 取得了许多的研究成果。
2、永磁同步电机的数学模型
在分析、建立永磁同步电机的数学模型过程中, 通常作如下假设:转子永磁磁场在气隙空间分布为正弦波, 定子电枢绕组中的感应电动势也为正弦波;忽略定子铁心饱和, 认为磁路线性, 电感参数不变;不计铁心涡流与磁滞损耗;转子上没有阻尼绕组。基于以上假设, 在d-q坐标系下, 永磁同步电机的数学模型如下:
电压方程:
对于PMSM的表面式有Ld=Lq=L, 所以可得到转矩方程如下:
机械运动方程:
其中, du是d轴电压, qu是q轴电压, di是d轴上的电流, qi是q轴上的电流, dL是永磁体在d轴上的电感, qL是永磁体在q轴上的电感, 是转子的电角速度, sR定子电阻, P是永磁同步电机的极对数, J是转子的转动惯量, LT是负载转矩, eT是电磁转矩, f是永磁体与定子交链的磁链, B为系统的粘滞系数, Id等效d轴励磁电流。
初始条件为0时, 在忽略粘性摩擦因数的影响下的永磁电机的系统框图1:
3、变结构控制器的设计
滑模变结构控制的应用已经非常的广泛, 滑模控制的优点是能够克服系统的不确定性, 对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性, 尤其是对非线性系统的控制具有良好的的控制效果。其中最大的优点是滑动模态对加在系统上的干扰和系统的摄动具有完全的自适应性, 而且系统状态一旦进入滑模运动, 便能够快速的收敛到目标控制, 为时滞系统, 不确定性系统的鲁棒性设计提供了一种有效的途径。滑模变结构控制器的设计, 由 (1) 可得
状态变量选为: 为给定的角速度, w为永磁同步电机的实际角速度, 建立系统的标准状态方程为:
.切换.面取s (28) cx, 系统进入滑动模态后,
趋近率.取改进.的指数趋近率:满 足滑模的存在性与可达性条件, 改进后的指数趋近率, 在系统远离切换面时, 系统的趋近速度快, 当系统接近切换面时, 非线性项作用降低, 降低了系统的抖振。
4、仿真研究
为了考察这种变结构控制的性能, 本文应用MATLAB, VB语言对永磁同步电机进行了必要的仿真研究。采用Matlab7.0编写M文件, 对永磁同步电机模型进行仿真。仿真参数:sR (28) 2.875, L (28) 8.5m H, f (28) 0.175, 额定转速n (28) 1800rmin-1, V (28) 300v, B=0.0001, P=4, LT (28) 2.0Nm, J (28) 0.0008Kgm2, 0T (28) 0.2Nm。仿真结果如图2、图3。
由图2可以看出, 系统在距离切换平面较远时, 能够迅速的接近滑模面, 然后在滑模面附近做往返的穿越运动。有图3可以看出, 永磁电机启动后能迅速达到额定值, 在0.3秒时加入了外加干扰, 系统仍然做规律性的小幅抖振, 可知, 外加干扰对滑模变结构系统的影响较小。利用滑模变结构控制方法设计系统的速度调节器, 采用电流滞环控制器实现对三相正弦电流的跟踪控制。然后, 使用MATLAB软件搭建了整个系统的模型, 仿真结果证明了这种控制方法的可行性。
摘要：永磁同步电机 (PMSM) 是一个典型的非线性多变量系统, 对外外部干扰及内部参数变化比较敏感。本文通过将滑模变结构控制应用于永磁同步电机调速系统, 针对一般滑模控制中控制量的求取需整定多个参数范围带来的复杂性问题, 结合趋近律法设计了一种滑模控制方法, 给出了控制器的设计方法, 并对所设计的系统进行了仿真分析和实验研究。结果表明该控制器使系统具有快速性、稳定性、无超调以及抗负载扰动强等优点, 提高了系统的鲁棒性。
关键词：永磁同步电机,滑模变结构控制,指数趋近律,抖振
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永磁调速在电厂灰渣泵系统中的应用 第6篇
1 系统概况
胜利发电厂二期2×1025t锅炉采用水力除渣, 日排渣量约为160t。灰渣池里的灰渣由渣泵打至2km外的灰渣场暂存。灰渣泵系统由相同的A、B、C三台185k W离心式渣泵组成, 如图1所示。
因为煤种及负荷的变化, 正常运行需要量为单台泵出力的0.5~2.5倍, 因此需要对泵的流量进行有效控制, 保证灰渣池有一个稳定的液位。其中A泵采用变频器调速方式, B泵为工频方式, C泵采用永磁调速方式。
2 永磁调速原理
第二代永磁调速器由筒形导体转子、筒形永磁转子、调节器组成, 如图2所示。
其中筒形导体转子安装在电机侧, 与电机转速一致;筒形永磁转子安装在负载侧, 位于筒形导体转子内, 其间由空气隙分开。工作原理如图3所示。
导体转子和永磁转子可以自由的独立旋转, 当导体转子旋转时, 导体转子与永磁转子产生相对运动, 磁场通过气隙在导体转子上产生涡流, 涡流产生感应磁场与永磁场相互作用, 从而带动永磁转子沿着与导体转子相同的方向旋转, 结果是在负载侧输出轴上产生扭矩, 带动负载做旋转运动。通过调节器调节两者在轴线方向的相对位置, 改变两者间的啮合面积, 就可以控制传递扭矩的大小, 实现负载转速的变化。啮合面积大, 通过永磁调速器传递的扭矩就大, 负载转速高;啮合面积小, 通过永磁调速器传递的扭矩就小, 负载转速低。
永磁调速系统由永磁调速器、电动执行器、转速变送器、温度变送器、控制信号源、控制系统等设备集成。电动执行机构接受控制指令, 根据控制指令调节筒形导体转子和永磁转子之间的啮合面积, 从而调节负载转速, 并将结果反馈给控制系统。
3 永磁调速调节特性试验
表1和表2分别为永磁调速系统在空载和负载两种情况下的试验数据, 可以看出通过调节筒形导体转子和永磁转子之间的啮合面积, 可以改变泵负载侧的转速, 实现速度的调节。永磁调速器调节特性曲线如图5所示, 可以看出, 调节特性线性度很好, 能满足现场生产的控制需求。
4 永磁调速与变频调速对比
4.1 节能情况
如图1所示, 系统配置有相同的A、B、C三台185k W灰渣泵, 三台泵并联运行, 工质、负荷等完全相同, 能够实现变频器、永磁调速器在完全相同的工况下比较能耗情况。在燃煤量相等、煤质相同, 一台泵大约70%负荷运行可以满足发电生产需求的情况下, 每台泵分别连续运行24h, 记录所需电量, 在忽略煤质稍有变化造成的灰渣量不同的情况下, 可以得出三种运行方式的耗能情况, 从而得出各种调速方式的节能效果。从表3可以看出, 永磁调速与变频调速拖动的灰渣泵系统的能耗相当, 节能效果相当, 均为工频阀门调节用电量的70%。
4.2 机械振动性能数据
表4是灰渣泵A在变频调速和灰渣泵C在永磁调速运行时各轴承处的振动振幅实测值。由于采用永磁调速, 电机和灰渣泵之间的轴连接是非接触式的, 取代了变频调速采用的刚性联轴器, 将原来的一个长轴系统变成了两个互不相连的短轴系统, 这样灰渣泵一侧的振动就不会传递到电机一侧。同时可以大大减小长轴系统对振动的放大效应。表4中实测数据表明, 采用永磁调速后灰浆泵的振动幅值比变频调速大幅降低。另外由于永磁调速轴连接是非接触式的, 同时带来了两方面的好处, 一是安装时“对中”精度要求低, 可允许电机轴和泵轴之间的安装对中误差为1.5mm;二是在长期运行中不会产生因为直接的轴连接而带来的轴承、密封的损坏, 保证设备的使用。
另外, 永磁调速器机械结构简单, 一旦安装完成投入使用, 基本不受使用环境的干扰和影响, 能够长期稳定运行, 可靠性高;并且永磁调速器是一个纯机械产品, 基本上是免维护的, 所以维护费用几乎为0。尽管永磁调速和变频调速节能效果相当, 但永磁调速的平均无故障时间比变频调速要长很多, 不会因为一次故障造成减负荷发电。同时, 由于变频调速所用的半导体元件通常要求在0~40℃环境下工作, 对环境的温湿度要求高, 而永磁调速对环境的适应性强, 可适应各种恶劣环境。
5 结论
采用第二代永磁调速器对灰渣泵系统进行改造后, 在系统节流阀全开时可以根据渣池液位的高低, 自动调整转速, 解决灰浆池中灰浆量进出不平衡问题。避免对电机进行频繁启停, 延长电机、水泵以及高压开关的寿命, 同时将显著地延长轴承和密封件的寿命。
永磁调速机 第7篇
关键词：永磁同步电机,交流调速,MATLAB仿真
0 引言
永磁同步电机的转子为永磁体, 不存在励磁损耗, 结构简单, 功率密度大, 因而广泛应用于各个领域。故永磁同步电机控制系统的性能需求也更高, 所以需要建立永磁同步电机控制系统的仿真模型对各种控制算法的性能进行检验, 便于控制系统的优化, 缩短设计周期。本文在分析永磁同步电机转子磁场磁场定向控制的基础上, 在MATLAB中建立了仿真模型, 给出了相应的仿真波形。
1 电压空间矢量PWM技术-磁链轨迹法
1.1 磁链轨迹PWM的基本原理
设交流电机由理想三相对称正弦电压供电确定指标之后, 需要对影响因素进行量化, 如式 (1) 。
式中, UL为直流电压线电压有效值;为相电压有效值;ωs为电压频率, ωs=2nf。
引出电压空间矢量, 则有式 (2)
其中, Us即为电压空间矢量。同理, 磁链空间矢量表达式如式 (3)
Ψs为磁链空间矢量, Ψs A、Ψs B、Us C分别为电机三相磁链矢量的绝对值大小。
如果不计电机定子电阻, 磁链空间矢量可以通过式 (4) 得到。
式中
1.2 逆变器的输出电压模式
对于二电平逆变器, 桥臂的开关器件可共同组成八种开关状态。用SA、SB、SC分别标记三个桥臂的状态, 设当上桥臂器件导通时桥臂状态为1, 下桥臂器件导通时桥臂状态为0。逆变器的每种开关状态对应一个电压空间矢量, 其中六种开关状态对应非零电压空间矢量, 矢量的幅值为23Ud, 称为非零电压空间矢量, 简称非零矢量;另两种被称为零电压空间矢量, 简称零矢量。只有当非零矢量作用于电机时, 才会在电机中形成相应的磁链矢量。
1.3 磁链形成的原理
设逆变器输出的三相电压为UA、UB、UC, 可求出加到电机定子上的相电压为
可知, 在PWM逆变器-电动机系统中, 对电机定子电压空间矢量的分析, 可以转化为对逆变器输出电压空间矢量的分析。当逆变器输出某一电压空间矢量Ui (i=1-8) 时, 电机的磁链空间矢量可表示为
Ψs0为磁链空间矢量初始值;Δt为Ui的作用时间。
当Ui非零时, 磁链空间矢量Ψs从初始位置出发, 以为半径进行旋转运动;当Ui为零电压矢量时, Ψs=Ψs0磁链空间矢量无运动情况。所以, 六个非零矢量的作用时间对磁链空间矢量端形成的磁链轨迹的形状起决定性作用, 选择得当可形成圆形轨迹。一般都是使磁链轨迹逼近正多边形或圆形, 这就是磁链轨迹的形成原理。通过插入一定作用时间的零矢量对Ψs的运动速度进行调节。
2 MATLAB建模仿真
所建模型如图1所示, 是一个速度转速双闭环系统。电机额定功率1.1k W, 额定电压220V, 固定转速为3000rmp。电机用PWM发生器驱动, 驱动器用标准的Simulink模型搭建而成, 其内部组成如图2所示。
为充分考察所建模型的性能, 负载设为一个非连续的可变转矩。仿真的波形如图3所示。
3 结论
观察到定子电流的波形不是光滑的曲线, 这是因为用PWM产生器驱动所预料的波形。并且随着负载的不断变化, 定子电流也跟着改变, 并且负载越大, 电流幅值越大。但是由于转子的惯性遏制了这些波动, 使得转速的波形非常稳定。
参考文献
[1]李华德.交流调速系统[M].北京:电子工业出版社, 2004.
[2]胡敏强.电机学[M].北京:中国电力出版社, 2009.
永磁调速机 第8篇
1永磁调速技术原理
目前, 应用的永磁调速技术主要有2种调速方式, 这2种永磁调速驱动器都由3个部分组成:与电动机连接的导磁体;与离心泵轴连接的永磁体; 1个控制调节器, 控制器包括手动控制和信号控制2种方式。
第一种永磁调速器工作原理是电动机1端永磁体和负载端感应磁场相互作用产生转矩, 通过调节永磁调速驱动器气隙来控制传递的转矩, 从而实现负载速度调节, 达到调速节能的目的。该技术实现了在驱动 (电动机) 和被驱动 (负载) 侧没有机械链接, 见图1、图2、图3。
第二种永磁调速器采用筒形导体转子、筒形永磁转子, 筒形永磁转子在筒形导体转子内, 其间由空气隙分开, 并随各自安装的旋转轴独立转动。调节器调节筒形永磁转子与筒形导体转子在轴线方向的相对位置, 以改变筒形导体转子与筒形永磁转子之间的啮合面积, 实现改变筒形导体转子与筒形永磁转子间传递转矩的大小。输出转矩的大小与啮合面积相关, 啮合面积越大, 转矩越大, 反之亦然, 见图4、图5、图6。
永磁调速技术不受功率质量的影响, 在功率质量很差或者在低压期间都可以工作。只要具备有效的能量使电动机转动, 永磁调速技术就可以工作; 同时, 永磁调速技术也不会影响设备的功率质量, 不产生谐波, 不产生瞬时高压或者其他与功率质量有关的问题。
2现场应用
杏北油田在2010年引进该项技术, 并先后在聚杏九污、杏六三元污和杏十联3座站的3台高能耗污水泵及101转油站1台掺水泵上安装了永磁驱动装置, 收到了较好的节能效果。
2.1聚杏九污水站
该站处理杏四区西部聚驱采出水和部分杏九联水驱水, 水量共计8000 m3/d左右, 滤后水除外输至新杏九注水站回注外, 部分滤后水靠重力输送至聚杏九转油站加热回掺井口。由于输送至聚杏九转油站的滤后水靠重力输送, 为保证净化水罐液位满足需求, 同时防止水罐溢流, 需要根据液位情况不断调节外输泵出口阀门, 大大增加了岗位工人的劳动强度。外输泵每天外输水量6000 m3, 启运2#外输水泵, 详细生产情况见表1。
现场安装第一种永磁调速器, 气隙间距为4~ 35 mm, 其大小与执行器开度呈线性关系, 随着执行器开度的增加而减小。该站安装的永磁调速装置执行器开度与外输水罐液位采用闭环控制, 执行器可根据水罐液位高低自动调节。改造泵调试过程中, 执行器开度由20%逐步上升到90%, 输出转速由482 r/min上升到1377 r/min, 水量由180 m3/h上升到400 m3/h, 达到满负荷, 电流由78 A上升到192 A, 泵压由0.6 MPa下降至0.19 MPa。详细数据见表2。
调试中发现, 永磁调速装置的气隙间距与输出转速基本呈线性关系, 输出转速随着气隙间距的增大而减小。其对应关系见图7。
聚杏九2#外输泵改造后, 平均单耗为0.104 k Wh/m3, 与改造前相比下降了0.256 k Wh/m3, 节电率达71.1%。详细数据见表3。
2.2101转油站
掺水泵将处理后的采出水外输至各计量间供单井掺水及热洗, 压力要求达到2.0 MPa。目前该站掺水量为130 m3/h, 运行1#和3#掺水泵。针对2台掺水泵的总能耗进行对比, 改造前日平均掺水量为3001 m3, 3#泵电流125 A, 压力2.2 MPa, 日总耗电量3 549.6 k Wh, 平均单耗为1.18 k Wh/m3。
101转油站改造泵为3#掺水热洗泵, 现场安装第二种永磁调速器, 安装的永磁调速装置执行器开度根据掺水压力需求自动调节, 目前压力控制在2.1 MPa。改造泵运转详细数据见表4。
改造后, 3#掺水泵平均单耗为1 k Wh/m3, 与改造前相比下降了0.18 k Wh/m3, 节电率达15.2%。瞬时水量维持在120 m3, 执行器开度为26%, 掺水压力达1.9 MPa, 没有出现较大波动, 满足正常生产需求, 系统运行平稳。
3节能效果
该项目实施后, 改造泵运行平稳, 聚杏九污水站2号外输水泵压力由改造前的0.6 MPa下降至0.19 MPa, 泵压降低明显;输水单耗由0.36 k Wh/m3下降至0.104 k Wh/m3, 执行器开度达90%, 节电率71.1%。101转油站掺水系统节电率为15%, 与聚杏九污水站不同, 该站以控制液位来调节转速, 而101转油站以控制压力来调节转速。为使整个掺水系统达到平稳, 压力必须稳定在2.0 MPa, 导致泵压远远高于聚杏九;改造后电流下降25 A, 执行器的开度仅在26%, 节电率低于聚杏九污水站。
4技术分析
4.1技术优势
1) 永磁调速驱动方式与传统驱动技术有很大的区别, 电动机和负载由原来的硬 (机械) 链接转变为软 (磁) 链接, 解决了旋转负载系统的对中、 软启动、减震、调速等问题, 并且大幅度提高了驱动的传动效率。
2) 对于冲击型负载可通过滑差实现缓冲与自动保护功能, 且电动机完全在空载下启动, 大幅降低启动电流, 故障减少。
3) 容忍对心误差, 一般可允许的偏离为0.05 mm甚至更小, 需要激光对心。 永磁耦合技术允许0.75 mm的偏离而且没有振动, 可以直接进行对心安装[1]。
4) 无谐波污染, 不伤害电动机, 不影响电网功率因数, 避免了对电器设备的损耗, 提高了设备的运行效率和寿命, 生产中没有出现故障停机现象, 生产运行平稳。
5) 占地空间小, 噪声小, 解决了传统变频技术带来的噪声影响。
4.2技术劣势
1) 该项技术与变频技术相比, 投资较高, 为变频技术的2~3倍。
2) 改造泵需有连轴器且电动机末端要有安装空间, 需向后移动电动机60 cm, 造成大部分转油站机泵移动后安全距离不足, 且需要重新做基础, 选择范围较窄。
5结论
1) 从永磁调速技术现场应用效果看, 该项技术调速范围比较大, 可应用到污水泵或外输油泵上, 此类泵泵压较低, 流量控制平稳, 可对液位平稳控制, 节能效果显著, 减少了工作量。
2) 转油站掺水泵出口压力要求较高, 实际生产中执行器开度较小, 节电效果远低于污水泵;但掺水量随季节和实际生产需求变化, 瞬时掺水量可出现较大波动, 严重影响掺水压力及系统平衡。安装该装置后可使系统压力维持在1个平稳点, 满足各单井的水量和压力要求。
3) 永磁调速技术有一定的技术限制。杏北油田应用的永磁调速技术采用自然风冷降温措施, 由于散热及转矩等因素影响, 还无法应用到像注水泵这样大功率、高负荷的机泵设备上;并且, 由于该装置需要移动电动机, 造成部分转油站高能耗机泵无法安装。
摘要：随着油田开发的不断深入, 部分污水泵、掺水泵能力与需求匹配不合理, 能耗增加。通过永磁调速技术改造, 根据适时的负载输入转矩的要求, 调节永磁调速驱动器输入端的转矩大小, 从而最终改变电动机输出功率大小, 实现对输出流量或压力的连续控制, 解决泵匹配不合理的问题。杏北油田已在污水站及转油站应用了该项节能技术, 节电率最高达71.1%。永磁调速范围比较大, 能够起到较好的节能效果。
关键词：污水站,永磁调速,单耗,压力,节电率
参考文献