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永磁电机、驱动、控制的集成开发

信息来源:chuandong.biz  时间:2007-09-20  浏览次数:344

  一 永磁电机驱动系统
  永磁电机的应用主要包括两类,一类用于异步起动的同步电动机,另一类用于运动控制系统和传动。前者主要为了节能的目的,因为永磁同步电动机的效率、功率因素都高于异步电机,其电源是50Hz的三相交流电,但同步电动机不能在高频直接起动,转子上需放置起动绕组。后者则需要调速,需要专用的电源变换装置,俗称变频器或驱动器。小于5kW的永磁电机驱动系统大部分用于伺服控制,即控制系统的转矩、速度、位置、加速度,甚至加速度的变化率,改善应用系统的动态过程。在日本,这类小功率的应用系统被称为机械电子系统,欧美则称为运动控制系统。功率较大的系统即功率从5kW到30kW,一般称为传动系统,因为这类系统主要用来控制系统的速度,位置及加减速不是重要指标。在我国笼统地将运动控制系统和数十千瓦的传动系统称为驱动系统。
  用于上述第二类的永磁电机常常称为永磁无刷电机,根据电流或电势波形可分为无刷直流和无刷交流两种。用逆变器和位置传感器代替直流电机的电刷和换向器,并将电枢绕组放到定子上,磁极移到转子上就得到直流无刷电机,转子发热显著改善,传感器采用霍尔(Hall)元件或光电器件,转子每转60°电角度产生一个位置信号,任一瞬间只有两相绕组导通,即120°通电方式,绕组电流为方波或梯形波,控制软件简单。无刷交流电机也叫永磁同步电机,绕组电流为正弦波,多采用磁场定向控制,又称矢量控制,传感器为相对或绝对编码器,分辨率从每转几百到几千个脉冲。因此,无刷直流电机多用于调速场合,永磁同步电机多用于速度及位置控制等伺服系统。
  在30kW以下的调速系统中,永磁电机调速系统和异步电机调速系统相比有以下优点:
  (1)节能:由于异步电机的绕组电流包含励磁电流分量,同样功率的电机,永磁电机的效率高于异步电机;
  (2)可控性:方波控制的直流无刷电机比电压频率比恒定的开环控制的异步电机速度响应快,永磁同步电机的磁场定向控制比异步电机的磁场定向控制简洁,控制性能较少受电机参数变化的影响;
  (3)省材料:永磁电机的功率密度高于异步电机,同样的输出功率,机座号显著减小,节省的硅钢片和漆包线等材料,弥补了永磁电机中永磁材料的成本。
  近年,随着我国产业结构的调整和升级,需要大量电机驱动系统,不论是原来使用异步电机以恒定转速运转的场合,还是已用异步电机调速系统的场合,改用永磁电机驱动系统都有其独特的优势。用于工业缝纫机的550W伺服系统,以及油田螺杆泵1000Nm驱动系统是这类系统的两个典型应用。但工业缝纫机厂和螺杆泵厂只掌握应用工艺,没有能力开发驱动系统。通用的异步电机的制造和设计在国内的电机厂都能完成,而且已经标准化、系列化,永磁电机的设计和制造还处于起步阶段,况且电机厂不具备驱动和控制部分的开发和生产能力。通用变频器不适合特定的永磁电机和应用工艺,变频器生产商不愿意为这部分刚开始研发的用户投入精力。这种局面对异步电机调速系统却好得多,驱动和电机在市场上都能采购到,用户只需开发控制器,在某些场合,控制器就是通用PLC,再写入相应工艺软件。
  因此,为加速永磁电机驱动系统的研发和产业化进程,必须采取集成开发的策略。集成开发不等于系统集成,后者是将成熟的各部分通过适当的硬件或软件连接成系统,完成某一特定的工艺。当各部分还不成熟时,就要根据系统目标,综合考量,重点研发,这是集成开发的特点。
  在日本和欧美等国,领先的功率电子技术和微控制器技术促进了电机驱动系统的发展,厂家有能力对这3部分进行综合的研究和开发。我国对永磁电机驱动系统的开发和应用还处于起步阶段。如何借鉴国外经验,发挥研发机构、制造厂家、用户各自的优势,加强三者的联系,攻克技术瓶颈,尽快推广这一技术的应用,值得各方面思考和探索。
  本文在分析我国研发和推广永磁电机驱动系统面临的现状后,从永磁电机、驱动、控制集成开发的观点,介绍应用于工业缝纫机和油田螺杆泵驱动的永磁电机驱动系统,最后就我国开发永磁电机驱动系统,提出一些关键技术进行探讨。
  二 工业缝纫机永磁同步伺服系统
  我国是服装生产大国,也是缝纫机生产大国,全世界的工业缝纫机绝大部分在我国制造,平缝机是工业缝纫机的主要机种,年产量在300万台以上。到目前为止,85%以上的平缝机的动力仍是利用电磁滑差离合器调速的异步电机,主要存在以下不足:
  (1)调速系统效率低;
  (2)适应不了新的缝纫功能,如自动剪线、前后回缝、拨线、针位控制等。要克服以上不足,必须去掉电磁滑差离合器,由电机直接带动负载。新的永磁同步伺服系统必须具备速度和位置控制的功能,具体指标和功能如下:
  (3)运行范围宽,从200~6000r/min;
  (4)速度响应快;
  (5)位置精确度±3°以内;
  (6)待机状态电磁转距为零,以便操作者自由盘转。
  若用常规思路开发满足以上条件的伺服系统,即图1所示的集中控制结构。就是缝纫机厂家先购买伺服电机和驱动器,再自己开发控制部分。如前所述,缝纫机厂暂时还没有能力或不全具备能力开发控制部分,重要的是500W左右的伺服电机和驱动器是进口产品,价格在人民币4000元以上,远远高出国内按集成开发思路生产的系统价格1600元人民币。
  图2是按集成开发思想设计的平缝机伺服系统。与图1结构不同是控制器和驱动器所起的作用。图1中的驱动器仅控制永磁电机,系统的实时控制由控制器完成。图2中的控制器实时任务大大减少,但是增加了驱动器的任务,控制器仅完成显示、键盘、存储、通信等功能,驱动器除了完成永磁电机的磁场定向控制外,还要根据接收的命令和针杆位置,触发相应电磁铁动作,完成剪线、前后回缝、拨线等辅助功能。由于驱动器的控制芯片特别是磁场定向控制中都使用了快速的数字信号处理器(DSP),完成这些辅助功能不影响对永磁电机的控制。但对控制器中微处理器的要求却降低很多,一般的8位单片机即可胜任。
  图3(a)是用于平缝机的550W伺服电机,后端盖安装光电编码器,面装式磁钢结构保证电机能以高的功率因数运行,分数槽绕组有效地抑制了齿谐波,减小了振动和噪声。图3(b)是驱动器,功率器件采用功率模块,提高了可靠性,控制芯片为DSP,保证了磁场定向控制的数据处理能力。图3(c)是控制器,又称模式盒,接受操作者的指令并存储,笔记本式的人机界面,操作简洁,感观舒适。经过近年的开发和完善,这类系统在平缝机上已达到每年近30万台的应用规模,在特种缝纫机上也有一定的使用量。
  三 直驱式螺杆泵驱动系统
  油田采油泵一般有3种形式:潜油泵、游梁式抽油机和螺杆泵。螺杆泵采油机适用于含沙、含气、油稠的场合,具有节电、占地少的优点,下泵深度不超过1500m的油井几乎都可使用螺杆泵。螺杆泵采油机已在大庆油田广泛使用,其他油田也在积极推广。但当前使用的传统螺杆泵还存在以下不足:
  (1)容易断杆:井下发生异常或地面出口管线阻塞等原因发生时,因无法降速造成泵杆扭断、减速齿轮断裂、电机烧坏;
  (2)机械传动部分维护量大;
  (3)反转脱扣:近千米长的泵杆,外加扭力致使泵杆圆周方向发生弹性变形,停机时泵杆弹性恢复产生的高速反转造成脱扣;
  (4)传动效率仍然偏低:螺杆泵用的异步电机同游梁式抽油机一样,属于大马拉小车性质,功率因数0.4左右,异步电机效率大约75%,考虑皮带和减速齿轮,传动效率不到65%;
  (5)螺杆泵的运行速度改变困难:只能改变皮带轮的大小或改接电机绕组。
  用直流无刷电机取代异步电机可克服以上众多不足。通过驱动器实现平滑调速,调速范围0~250r/min,额定转矩1000Nm,过载倍数4倍,额定效率达到91%,在1/3负载时效率也能达到88%。电机直接驱动油泵旋转,省掉了皮带和减速齿轮,传动效率显著提高,机械传动部分免维护。控制器设有人机对话界面,采油工可根据井况方便地调节螺杆泵的运行速度。
  采用永磁直流无刷电机驱动系统还解决了困扰几十年的螺杆泵停机刹车问题。传统机械式刹车有两种,一是棘轮止反转方法,结构简单,但可靠性差,而且泵杆的弹性储能无法释放。二是反转液压抑制方法,动作虽然可靠,但成本高,结构复杂。永磁直流无刷电机驱动系统可通过电气控制进行刹车。在控制箱内设有能耗电阻和独立的刹车控制器,当停机操作或系统失电时,泵杆弹性释放,拖动电机反转,电机处于发电状态,刹车控制器工作,泵杆速度越快,电磁制动力矩就越大,最终使泵杆回到初始状态,便于下次起动或修井作业。另外,驱动器还能控制和识别负载转矩,判断超载或轻载等异常情况,减少断杆等情况的发生。
  直驱式螺杆泵驱动系统中,低速大转矩永磁直流无刷电机是根据螺杆泵负载特性而特殊研制的,驱动器的硬件与同等容量的异步电机驱动器相似,但软件是针对直流无刷电机的控制,刹车控制功能也集成到驱动器中,所以这些通用变频器是难以做到的。这一应用再次显示了永磁电机、驱动器、控制器集成开发的实际意义。
  四 关键技术
  异步电机的变频调速我国起步晚,异步电机的控制模型和大功率变频器的设计水平落后于国外。永磁电机驱动系统给我们提供了机遇,一是我国的稀土储量很丰富;二是国外对永磁电机驱动系统的研究也不是很普及,应用也不多;三是永磁电机的可控性。要普及永磁电机驱动系统的应用,必须对一些关键技术和共性技术进行攻关,具体为:
  (1)控制器:硬件技术最成熟、实现最容易、见效最快。但目前使用较多的是PLC,也为进口产品,价格偏高,不利于形成具有我国自主知识产权的产品。如何用微控制器为核心组成的系统替代PLC,性能和可靠性可与之媲美,价格可大大降低,这是硬件方面要解决的问题。软件除要针对不同应用领域建立简单易学的开发平台外,最好建立一套较为简洁通用的应用语言和算法;
  (2)电机:应对电机的结构、制造工艺、材料、电磁设计进行研究,适当时制订相应工业标准。对某些应用在特殊场合如低速大转矩、周期性变化的负载、势能负载、大惯量负载的电机应集中力量研制,这是市场上短缺的产品;
  (3)传感器:是控制系统中的主要元件,电机的磁场定向控制就需要电流和位置传感器,运动控制系统中还需要其他种类的传感器。我国虽能生产相当种类的传感器,但性能还有一定差距,对此应予以充分的重视。对于已有的传感器可以选用或集成,新型传感器则要研制开发;
  (4)驱动器:是制约伺服运动系统工业化的瓶颈,主要原因有3部分,一是复杂准确的电机模型难以在传统的单片机上实现,数字信号处理器(DSP)的出现为这个问题的解决迈了一大步,但DSP的普及程度还不够,控制算法目前要解决的实际问题包括无传感器算法、电机的低速运行平稳性、系统的快速响应等。二是功率电子器件的可靠性及系统设计水平低下,智能功率模块(IPM)和专用智能功率模块(ASIPM)的发展,使一般技术人员也能从事小功率电子线路的设计,但对大功率电子线路的设计及可靠性还应进行系统研究。
  永磁电机驱动系统的集成开发涉及众多技术,绝非少数人或某一方面的人就能完成,特别在初期,系统结构类似于图2分布式系统,涉及电机、机械、电力电子、控制和应用等方面的技术。实现产业化既要攻克技术难关,又要建立合理机制,激发研发、制造、应用等环节的积极性。这方面探索尤为迫切和重要。
  五 结论
  永磁电机驱动系统集成开发策略是针对我国目前该领域的现状而提出的,近5年,我们在研发中始终贯穿这一策略,取得了一些成绩,550W工业缝纫机伺服系统,以及1000Nm直驱式螺杆泵驱动系统,是这一策略的体现。永磁电机驱动系统的不断应用和推广也带给电机行业新的机遇,从永磁电机的设计与加工,到驱动器的开发和制造,再到应用领域的寻找及拓展,各个企业如何参与其中,将给他们带来深刻的变化。

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