永磁处理器（精选7篇）
永磁处理器 篇1
前言
广东大唐国际潮州发电有限责任公司有两套工业废水处理系统, 主要通过p H值调节、混凝、澄清、过滤等处理工艺得到合格的回用水, 通过四台工频最终中和池输送泵输送至一、二期脱硫工艺水箱, 用于脱硫系统补水。由于废水处理系统工作环境恶劣, 最终中和池输送泵与电机之间采用刚性联轴器连接, 且水泵全速运行为2900r/min, 运行中速度高、压力大, 经常发生振动超标, 密封环、轴承磨损, 水泵漏水、进气等情况, 每次故障检修均需更换大量部件, 造成维护成本与维护工作量的增加。而永磁调速具有高效节能、简单可靠、震动噪音小、无谐波、占地面积小、零维护、可在恶劣环境使用等诸多优点, 在调速领域有很高的发展前景。因此潮州电厂将#2最终中和池输送泵进行永磁调速改造, 待改造效果良好、效益可观后, 逐步将永磁调速技术运用到凝结水泵、闭冷泵、引风机、送风机等6KV重要辅机设备上。
1 永磁调速器的结构和原理
永磁调速技术的主要设备是永磁调速器, 永磁调速器主要由导体转子、永磁转子和调节器组成, 见图1。永磁转子在导体转子内, 其间由空气隙分开。导体转子与电机端联结, 与电机一起转动。永磁转子与负载体联结, 与负载一起转动。调节器调节永磁转子与导体转子在轴线水平方向的相对位置, 以改变导体转子与永磁转子之间相互作用的面积, 实现改变导体转子与永磁转子之间传递转矩的大小。
永磁调速的工作原理是:当导体转子转动时, 导体转子与永磁转子产生相对运动, 永磁场在导体转子上产生涡流, 同时涡流又产生感应磁场与永磁场相互作用, 从而带动永磁转子沿与导体转子相同的方向转动, 结果是将输入轴的转矩传递到输出轴上;输出转矩的大小与相互作用的面积相关, 作用面积越大, 扭矩越大, 反之亦然。永磁转子在调节器作用下, 沿轴向往返移动时, 永磁转子与导体转子之间的相互作用面积发生变化。作用面积大, 传递的扭矩大, 转速高;作用面积小, 传递的扭矩小, 转速低;永磁转子与导体转子完全脱开, 作用面积为零, 永磁转子转速为零, 即负载转速为零。
2 永磁调速改造
广东大唐国际潮州发电有限责任公司工业废水处理系统最终中和池有4台最终中和池输送泵, 其中#1、2最终中和池输送泵参数为:Q=200m3/h, H=50m, n=2900r/min, N (配备) =45KW;电机参数为:U=380V, I=82.0A, n=2970r/min, N=45KW。本次将#2最终中和池输送泵进行永磁调速改造, 采用现场原有的电机并保持原有启停回路不变, 采用现场原有的水泵。由于永磁调速器需要安装在电动机与泵之间, 为了安装永磁调速器, 需先将电动机与泵拆开, 将电动机向后移动以留出永磁调速器的位置, 需对设备基础进行改造。基础改造:电机要向后移动460mm, 进行电机的基础改造, 将电机基础往后延伸500mm。同时将电机刚性支座开长孔, 四周焊接微调螺栓。另外做好永磁调速器刚性支撑的安装支架。电机后移后, 预留好电机的动力电缆。提供AC 220V的电源供执行器使用, 执行器电源间隔选在工业废水380/220V MCC COBKF02段COBKF02A1间隔引出后加一个两相6A开关做电源, 永磁调速器型号为DF-DM320, 执行器型号为PSQ102。更改逻辑画面, 增加开度调节画面及自动画面供运行人员调节。
3 永磁调速改造效果
对于离心式水泵, P1/P2= (n1/n2) 3, 负载功率变化与转速变化的立方成正比;T1/T2= (n1/n2) 2, 负载扭矩变化与转速变化的立方成正比。当离心泵的转速降低时, 其需求的功率也会降低。
永磁调速可以对离心泵降速, 而电机的转速是不变的, 电机功率与转速和扭矩的关系如下:
电机输出功率P=T·ω, 功率=扭矩·转速
结合离心泵的特性, 采用永磁调速后, 电机功率与负载转速的关系如下:
电机输出功率P1/P2= (n1/n2) 2
采用永磁调速调节离心泵转速时, 电机的功率与离心泵转速的平方成正比, 在降低离心泵的转速时, 电机的功率成平方关系下降, 实现调速节能。不同转速下, 电机及负载振动值及节电率见表1。
由表1可知, 改造后, 电机和负载在水平、垂直、轴向方向的振动值明显低于改造前振动值, 振动减少, 可以减少维护成本和维护工作量, 延长了设备的寿命。通过改变执行器开度, 电机转速不变, 随着执行器开度增大, 负载转速逐渐增大, 轴功率比增大, 节电率降低。负载低转速时, 节电率高, 节能效果显著。
4 结束语
采用永磁调速器, 对#2最终中和池输送泵做调速节能改造, 减少系统振动, 水泵密封环、轴承磨损, 水泵盘根日常维护量, 频繁启停对电机与设备的冲击, 系统不能长期稳定的运行的问题。改造至今, 没有发生任何缺陷或故障, 运行稳定, 节能效果显著。此次改造为永磁调速技术应用到潮州电厂6KV重要辅机设备上提供节能改造依据。
参考文献
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永磁处理器 篇2
永磁同步电机(PMSM)可以提供业界已知最高水平的动态响应和扭矩水平,因而在高精度的位置伺服控制中得到广泛的应用[1]。位置伺服系统高精度的电机转子位置检测和处理电路是关键。随着EDA技术的不断发展和进步,FPGA被广泛应用于复杂算法的硬件电路实现。基于FPGA实现的硬件电路执行并行操作,处理时间短、集成度高、数据吞吐量高。在工业生产中,可有效避免强干扰、高负荷的工业现场而引起的系统跑飞。
在永磁同步电机的变频调速系统中,位置检测准确与否直接关系到位置伺服系统的精度,同时电机转子位置处理是否满足精度要求也至关重要,这直接影响系统的整体性能,尤其是对精度要求苛刻的位置伺服系统。
本文提出一种基于FPGA的电机转子位置定位和处理方法,可准确定位电机转子的实时位置,同时对电机位置进行高精度的处理,为矢量控制系统提供实时精确的输入,提升了整个伺服系统的性能,在电机变频调速方面具有重要的意义。
1 CORDIC 算法
1959年J.Voider在参与航空导航系统的设计过程中提出CORDIC算法。1971年,Walther提出改进版的CORDIC算法,既可以计算三角函数、反三角函数、向量的模和向量的旋转,还可以计算乘法、除法和超越函数[2]。
CORDIC算法有向量和旋转2种模式,本文只考虑旋转模式。通过对输入角度进行固定角度值旋转迭代,逐项数值逼近,使旋转角度的和逼近于输入的角度值。对输入向量值进行变换,可得到输入角度的正余弦值。设初始输入向量为(x0,y0,z0),其中z0 为初始输入角度,则第n次迭代的输入向量为(xn-1,yn-1,zn-1),输出向量为(xn,yn,zn),输入向量与输出向量间的迭代方程为:
计算机采用二进制计算,CORDIC算法采用固定角度叠加 , 每次叠加 角度为当前的旋转角度和为其中
对迭代方程(1)进行变换得:
经过n次迭代之后得到第n次的结果为:
又由于每次迭代的角度值大小是固定的,则
整理上面的迭代方程得:
为得到输入角度的正余弦值,需对输入向量进行如下处理:
令迭代n次可以得则输出x n、yn为所输入角度的正余弦值。
2 CORDIC 算法在永磁同步电机位置检测与处理上的应用
永磁同步电机是一个高阶、非线性、强耦合的非线性系统。采用参数重构和坐标变换的方法,把交流电机转换成直流电机,实现电机定子电流励磁分量和转矩分量的解耦控制[3]。矢量控制算法模仿直流电机的转矩控制方法,利用Park变换、Park逆变换和Clark变换实现坐标之间的变换。但要实现两相坐标系与三相坐标系之间的相互转换,需要实时电机转子位置对应的角度正余弦值。因此高精度的实时电机转子位置对应的角度直接关系到矢量控制的控制效果。
复合式增量编码器输出U、V、W脉冲信号对应电机绝对位置。首先忽略电机当前位置,当U、V、W状态发生切换时,把U、V、W对应状态的机械角度作为电机转子的当前实时位置(绝对位置);再根据复合式光电编码器A、B输出脉冲相位切换的四倍频信号计数确定电机转子的相对位置[4]。图1为A、B、U、V、W输出脉冲变化,其中fir为四倍频信号;dir为电机的方向。复位脉冲Z到来时,电机转子位置赋值为Z脉冲对应的机械角度,防止了由于误差积累和计数偏差而影响电机位置的准确定位。这种方法虽然忽略复位后一个状态的对应时间,但在状态切换后可立即确定电机转子当前的位置,得到准确的电机转子位置,实时性好、精度高。
三角函数值的计算方法有查找表法、泰勒级数法、CORDIC算法。虽然查找表法实现简单,只要把对应的函数值存储在寄存器中即可,但为达到高精度,会占用很多的内部逻辑资源;泰勒级数法可满足精度的要求,但算法的实现需要大量的加法器和乘法器,占用太多的硬件资源;CORDIC算法可以通过迭代实现三角函数的计算,利用加、减和移位运算,速度快、精度高、占用硬件资源和面积少。
3 CORDIC 算法在 FPGA 上的实现
CORDIC算法在FPGA上有简单状态机法和流水线法2种实现方式。简单状态机法实现的CORDIC算法硬件资源消耗小,在每个周期内进行一次迭代操作,但难以满足实时性要求严格的位置伺服系统;而流水线技术是一种时间折叠的并行处理技术,又由于FPGA的操作并行性,以及CORDIC算法的迭代特点,采用硬件流水线操作可以在一个周期内进行多次迭代操作,虽然消耗的硬件资源多,但是运算速度快,可以提高数据的吞吐率,满足伺服系统的实时性要求。本设计采用流水线法,可满足实时性和高数据吞吐率。
CORDIC算法的迭代次数与运算精度有密切的关系,迭代的次数越高,运算误差越小,得到的三角函数值越精确,但是所占用的硬件资源和面积也成倍增加。经过四次迭代,余弦误差比较大,达到±10%;经过8次迭代,运算误差小于±0.7%;然而经过16次的迭代,运算误差达到±0.006‰,因此迭代16次完全可以满足高精度的要求。
CORDIC算法旋转的角度的范围为[-99.98°~99.98°][5],因此为得到正确的正弦值,需要对一个周期的输入角度信号进行预处理,输出信号进行后处理。
预处理过程主要是把输入信号变换到[-99.98°~99.98°],具体操作为:
输出信号的后处理主要是还原输入信号的正负符号,后处理过程为:
4 实验结果与分析
位置检测与处理模块由四倍频模块、位置检测模块、位置处理模块3个子模块组成,本设计主要是在Quartus9.1上搭建模块实现,对应的模块如图2所示。
假设电机正转,在A、B、Z、U、V、W对应的脉冲信号下,统计输入的四倍频信号,使电机转子的机械量化角度26递增,则输出标准的正弦波形,从而保证了PMSM控制系统的精确位置输入。图3是在Modelsim 6.5b仿真器上验证的实验仿真结果,波形平滑,没有明显的毛刺,与预期达到的效果一致。
本设计在以Cyclone IV EP4CE115为核心的Altera DE2-115开发板上搭建平台,经过DA转换器,测试输出结果如图4所示。无明显的毛刺,波形效果好,验证了算法的硬件可实现性,为矢量控制的坐标变换模块提供精确的输入,提升了整个伺服系统的性能。
5 结语
电机转子位置的准确定位是永磁同步电机调速系统的关键,本文提出利用U、V、W的状态切换实时确定电机精确的绝对位置;利用相位切换实现四倍频的信号,通过统计对应脉冲的个数,确定电机的相对位置,从而得到准确的电机位置。文中使用CORDIC算法计算电机位置的正余弦结果,简化系统结构,在满足精度的情况下,占用硬件资源较少。本文实时精确的定位和处理电机转子位置,提升了位置伺服控制系统的精度。
摘要：在永磁同步电机的变频调速系统中,电机转子位置的检测和处理准确与否直接影响整个控制系统的精度。提出一种基于FPGA的电机转子位置定位和处理方法,通过检测复合式增量编码器的A、B、Z、U、V、W 6路信号,经过四倍频及判向电路、位置检测及变换、CORDIC处理器,可精确得到当前电机转子角度位置的正余弦值。实验证明:位置检测与处理模块可以准确地检测到实时转子的位置,误差只有0.144°;快速准确处理电机转子的角度值;在硬件平台上实现了算法,效率高、效果好、硬件资源消耗少,为矢量控制的坐标变换模块提供精确的输入,提升了整个伺服系统的性能。
永磁处理器 篇3
河北省保定市安国市供电公司常庄35kV变电站10kV馈线开关为永磁真空开关。2009年4月15日凌晨, 513馈线出现接地短路故障, 本应速断掉闸, 但是由于储能电容损坏, 513开关因没有操动电源而不能分闸, 造成1号主变高后备动作过流跳闸, 全站停电, 值班调度员计划遥控试送, 结果未成功。
二、原因分析
河北省保定市安国市供电公司常庄35kV变电站整流系统2005年10月份投运, 事故发生时已运行3年零6个月, 整流系统专为10kV开关提供直流驱动电源, 电容应为竖直放置, 可是地方太小, 安装采用了水平放置, 电容为纸质电解电容, 平放时间较长, 造成电容参数发生变化。事故时储能电容可能早就被击穿了, 但是由于没有储能电容的电气参数指示, 巡视过程中没能发现储能电容已损坏。
由此可见, 为了保证电力系统的安全运行, 断路器必须能及时可靠地分合动静触头, 这要借助于操作机构来完成, 可以说, 操作机构的可靠动作直接影响着电力系统的稳定。下文就真空开关的操作机构进行分析讨论。
(一) 对操作机构的要求
第一, 合闸。电力系统正常工作时, 通过操作机构关合断路器, 这时电路中流过的是工作电流, 由于工作电流一般较小, 关合较容易。但是当电网发生短路事故时, 电路中的短路电流可达40kA, 甚至更大。断路器承受的电动力可达几千牛以上, 操作机构必须克服如此巨大的电动力, 才能关合断路器。
第二, 保持合闸。为了缩小断路器整体尺寸和降低能耗, 合闸线圈被设计成短时工作制, 只允许在很短的时间内通以合闸电流, 若通电时间过长, 会烧毁合闸线圈。这就要求操作机构在合闸线圈失电后, 仍能将断路器保持在合闸位置。
第三, 分闸。断路器分闸意味着要开断电路, 要出现电弧, 开断的电流越大, 电弧愈难熄灭, 工作条件愈严酷。当发生短路故障时, 短路电流比正常负荷电流大得多, 由于系统发生短路时, 系统电路表现为电感性电路, 所以当交流电压过零, 断路器动静触头分开瞬间, 动静触头间的电流不能突变, 会出现瞬态恢复电压。为了达到分断电路的目的, 操作机构必须提供一定的分闸速度, 尤其是刚分速度。
(二) 几种操作机构的优缺点
第一, 弹簧操作机构, 弹簧操作机构由弹簧储能、合闸、保持合闸和分闸几个部分组成。优点是不需要大功率的电源, 缺点是结构复杂, 制造工艺复杂, 成本高, 可靠性较难保证。
第二, 电磁操作机构, 电磁操作机构结构较简单, 但结构笨重, 合闸线圈消耗功率很大。
第三, 永磁操作机构, 永磁操作机构是在上两种操作机构的优缺点的基础上, 进行了改进设计。永磁机构结构比较简单, 与弹簧机构比较其部件减少约60%, 由于部件少, 则故障率也随之减少, 故可靠性高, 另外机构寿命长, 维护量也少。
(三) 永磁机构的缺点
永磁机构是靠储能电容来提供分合闸电源, 如果储能电容损坏, 当该线路中出现故障要求开关分闸时, 开关就不能可靠动作。但储能电容安装在开关内, 而且没有电气指示, 巡视过程中根本不能发现储能电容的异常情况。
(四) 开关拒分的危害
第一, 造成大面积停电事故。本次事故就是因为10kV馈线开关拒分, 短路电流使1号主变高后备保护动作, 301开关分闸, 造成全站停电。
第二, 短路电流长时间流过设备, 造成设备损坏。本次事故中, 1号主变通过高后备保护动作切断故障电流, 高后备保护延时1秒, 这就有可能对主变及其他开关造成损坏。
(五) 对永磁开关的整改措施
河北省保定市安国市供电公司有两座35kV变电站的10kV开关是采用的永磁真空开关, 在安装时我们就意识到了储能电容在开关体内不利于巡视检查的问题, 就在控制室内集中安装了储能电容, 但当时没有对其安装电气指示, 而且由于安装位置空间较小, 安装方法不正确, 造成了储能电容的损坏。
事故发生后, 我们在正确安装储能电容后, 在控制屏上安装了储能电容的电气参数指示, 以便于巡视时能及时发现储能电容的异常情况, 又通过通讯装置与监控中心连接, 实现时时监控。
(六) 整改后取得的成效
AC永磁电机 篇4
常规交流感应电机被普遍采用,以至于你很难找到一个不使用该类电机的工业设施甚至居住点。然而,在这个对能源敏感的时代,制造商们正努力在设计电机时突破其效率限值。另一方面,由于永磁(PM)电机的转子没有功率损失,因此其效率水平高于感应电机。
虽然永磁电机拥有这一优势和其他优点,但其成本高,安装用于控制的速度编码器也比较麻烦,从而阻碍了它的广泛应用。开发更先进的、使用开环矢量控制方法的策略可缓解这一问题,而且无须采用编码器。解决这一问题后,用户会发现与常_规的感应电机设计相比,额定功率下的交流永磁电机框架较小、重量更轻,因而变得更具吸引力。另一方面,感应电机的成本仍然普遍较低,且在较苛刻的用途中具有更好的承受能力。
交流永磁电机转子的构造与传统的感应电机区别很大,它消除了铜转子产生的损耗,使永磁电机效率大大提高。
两类转子
交流永磁电机与感应电机的相似之处,仅仅在于绕组的定子。由于永磁电机的磁体与转子相连(在表面或嵌入其内部),因此转子不产生电流,从而减少了铜转子的损耗。而这是提高效率的主要原因。
安装于表面的永磁体(SPM)与内部永磁体(IPM)之间的差异,是生产过程中无法考虑到的。这种微妙的变化,会导致电机的运行特性发生显著变化。
交流永磁电机转子的构造与传统的感应电机区别很大,它消除了铜转子产生的损耗,使永磁电机效率大大提高。
IPM的设计方案是将磁铁嵌入转子中,从而使强度增加,并加快电机的运行速度。该设计方案还通过电感的变化产生凸极性,并可根据转子位置在终端测量电感变量。这一概念的详细内容值得更广泛的讨论,其产生的实际作用在于电机除了使永磁体具有扭矩,还产生了磁阻转矩。
SPM设计方案通常用一些胶粘剂将磁铁固定于转子表面,因此粘接强度实际上是最大速度和整体稳健性的决定因素。此外,因为将磁铁安装在转子表面时不会产生凸极性,所以没有磁阻转矩。
速度控制
目前主要有两种用于交流永磁电机的开环速度控制策略(无速度编码器)。第一种开环矢量方法采用电压控制。电压控制模块可根据速度指令和电机电流,计算参考电压。它可计算产生所需扭矩的输出电压。该方法通常用于设计水泵和风机中的SPM。
第二种开环矢量方法采用电流和速度控制算法。该方法可在电机运行时,通过跟踪磁极位置,有效地创建一个虚拟的速度编码器。该方法要使用速度估计器、速度控制器和功能强大、能快速进行计算的电流控制模块。此方法与IPM的设计特点相得益彰,并可进行非常复杂的速度和转矩控制。
锥形永磁轴承磁力解析模型 篇5
要满足国家装备制造业对所亟需的精密机床、飞轮储能装置、风力发电机等重大装备关键零部件、高性能轴承的巨大需求, 要实现旋转机械节能、高效高速可靠运转, 必须解决高速转子的支承问题。机械轴承有接触、需润滑, 限制了它的最高转速和使用寿命, 已成为传统驱动高速化的瓶颈。磁悬浮轴承无摩擦, 可以解决上述问题。但电磁悬浮轴承耗能、控制复杂[1], 超导磁悬浮轴承需要制冷设备[2-3], 这限制了它们的应用, 而永磁轴承具有结构简单、成本低、无摩擦、无能耗、无污染等特点, 具有明显的竞争优势。永磁轴承有不同的结构形式, 相对于其他形式的永磁轴承, 锥形永磁轴承具有同时承受径向和轴向载荷的优点, 国内外一些学者对锥形永磁轴承进行了研究, 取得了一些进展。Hamler[4]提出了锥形永磁轴承结构, 并采用有限元方法对其进行了仿真研究;Compt-er[5]根据电流模型得出三角形和梯形永磁体磁路模型, 推导出磁化方向不同时的磁路计算方程;Bassani等[6]依据等效电流方法, 研究分析了锥形永磁轴承磁化方向对磁力大小的影响。但上述研究尚未涉及锥形永磁轴承磁力解析模型的研究。本文针对上述研究的不足和空隙, 基于点磁荷二维磁场和虚功原理[7-8]推导出一对平行矩形截面永磁体的磁力解析模型, 并结合锥形永磁轴承的结构特点, 建立了具有明确参数关系、便于锥形永磁轴承设计的磁力解析模型。该模型通过分析锥形永磁轴承磁力与相关参量的关系, 揭示了锥形永磁轴承的动力学特性及规律。ANSYS仿真表明本文模型正确可行, 其误差能够满足工程应用的要求。
1 锥形永磁轴承磁力解析模型
锥形永磁轴承结构剖面如图1所示[9], 该轴承结构用于承载转轴轴向和径向载荷。
为方便建立锥形永磁轴承磁力解析模型, 忽略锥形永磁轴承曲率的影响, 先研究一对纵向长度为L的两块平行矩形截面永磁体磁力解析模型, 然后再考虑锥形永磁轴承的结构特点, 研究其轴向及径向分力。
1.1 一对纵向长度为L的两块平行矩形截面永磁体磁力解析模型
两长直细条形永磁体, 一块过P点与Y轴重合, 一块过M点与X轴平行, 如图2所示。基于点磁荷二维磁场和虚功原理, 可得单位长度的两长直细条形永磁体之间的磁力[10]为
式中, J1、J2分别为永磁体磁极化强度矢量, 其在Y轴方向的分量为0, 其量值分别等于永磁体剩磁感应强度Br1和Br2;μ0为空气磁导率, μ0=0.4πμH/m;rPM为同一横截面内两长条形永磁体两微元面ds1和ds2间的距离;β1、β2分别为J1和J2与X轴方向的夹角;θ为rPM与X轴正方向的夹角。
纵向长度为L的一对平行矩形截面永磁体如图3所示, 箭头为磁化矢量方向[11?12], 图中a为矩形截面长度, b、d分别为内外磁环厚度。
当β1=π, β2=π时, 则β1+β2=2π, 对式 (1) 积分可得
将式 (4) 代入式 (3) 化简积分得
对式 (2) 积分, 可得长度为L的两块平行矩形截面永磁体X向磁力:
将式 (8) 代入式 (7) 化简积分可得
式 (5) 和式 (9) 即为一对纵向长度为L的两块平行矩形截面永磁体磁力解析模型, 式中磁力单位为N, 长度单位为mm。
1.2 锥形永磁轴承的轴向磁力和径向磁力
锥形永磁轴承可视为由两块平行矩形截面永磁体以一定倾角环绕转轴轴线而绕成, 可取磁环间隙中间处周长为式 (5) 和式 (9) 的纵向近视长度, 其轴向及径向分力是式 (5) 和式 (9) 计算磁力在轴向及径向的分力。
1.2.1 轴向磁力
设锥形永磁轴承倾角为α, 其剖面参数如图4所示, 点P、Q、R、S分别为锥形轴承剖面末端点, 设图中P点坐标为 (w1, v1) , Q点坐标为 (w2, v2) , R点坐标为 (w3, v3) , S点坐标为 (w4, v4) 。由图4可得
当锥形永磁轴承承受轴向载荷时, 其轴向磁力解析表达式为
1.2.2 径向磁力
图5为锥形永磁轴承径向偏移e时的剖面图, 图中的R1、R2分别表示轴承底部剖面内环外半径和外环内半径, 且其R1= |0.5 (w2-w4) |, R2=|0.5 (w1-w3) |。为了利用式 (4) 、式 (5) 和式 (9) 分析图5径向偏移e时的锥形永磁轴承径向磁力, 将锥形永磁轴承分为对称的N (N = 8) 段[13], 其各段径向偏移间隙可表示为
设锥形永磁轴承内外磁环厚度相等, 即b =d, 锥角为α, 单个磁环沿锥角为α 方向的长度为a (图3~图5) , 按截面等分原则确定锥形永磁轴承平均磁环周长, 设磁环平均周长对应的平均半径为Rj, 则
锥形永磁轴承的近似周长为L =2πRj。由于磁环间径向间隙很小, 在忽略锥形永磁轴承曲率的情况下, 可得图5中的每段平均弧长Lx为锥形永磁轴承近似周长L的1/N。将hx、Lx代入式 (5) 和式 (9) 中, 近似计算各段中点对应的径向磁力和切向磁力, 再将以上磁力分别沿径向 (w方向) 分解, 最后将8段的径向磁力叠加可得锥形永磁轴承径向总磁力, 即
由于图5以w轴为对称轴, 显然m方向磁力为零。
2 磁力解析模型的ANSYS仿真验证及参数分析[14,15,16,17,18]
本文计算分析选用稀土NdFeB作为永磁轴承材料, 其性能参数为:Br= 1.13T, Hc=800kA/m, μr=Br/ (μ0Hc) =1.124。
2.1 解析模型的锥形永磁轴承轴向磁力与轴向偏移的仿真验证及参数分析
设置的锥形永磁轴承几何参数为:b = d =15mm, a=30mm, α = 30°, 嵌套轴半径为rg=21mm, 轴承底部4 点的坐标分别为:P (54.48mm, 12.99mm) , Q (54.98mm, 13.87mm) , R (-54.48mm, 12.99mm) , S (-54.98mm, 13.87mm) 。
锥形永磁轴承仅有轴向偏移时, 将相关参数代入式 (5) 、式 (9) ~式 (13) 进行计算, 计算结果如表1所示, 其对应的计算和仿真曲线如图6所示, 图表中的Fvj为轴承轴向磁力解析模型计算值, Fvf为轴承轴向磁力ANSYS仿真值。计算值与仿真值的最大误差为4%, 最小误差为0.36%, 平均误差为0.74%。由表1、图6可以看出, 锥形永磁轴承轴向磁力随轴向偏移的增大而减小。
在ANSYS仿真中, 用PLANE53 单元建立永磁轴承轴对称模型。图7所示为锥形永磁轴承ANSYS仿真二维磁力线。
2.2 锥形永磁轴承轴向磁力与磁环厚度的关系
设置的锥形永磁轴承几何参数为:a=30mm, α=30°, rg=21mm。将相关参数代入式 (5) 和式 (8) 进行计算, 然后将计算结果和已知参数代入式 (11) ~ 式 (13) 计算锥形永磁轴承的磁力。锥形永磁轴承轴向磁力解析模型计算结果和ANSYS仿真结果如表2 所示, 其对应的计算和仿真曲线如图8所示。计算结果与仿真结果的最大误差为3.59%, 最小误差为0.16%, 平均误差为1.56%。由表2和图8可以看出:锥形永磁轴承轴向磁力随磁环厚度b的增大而增大。
2.3 锥形永磁轴承轴向磁力与磁环沿锥角为α方向的长度a的关系解析
设置的锥形永磁轴承几何参数为:b=d=15mm, α=30°。将相关参数代入式 (5) 和式 (9) 进行计算, 将计算结果和已知参数代入式 (11) ~式 (13) 计算锥形永磁轴承磁力。锥形永磁轴承轴向磁力解析模型计算结果和ANSYS仿真结果如表3所示, 其对应的计算和仿真曲线如图9 所示。计算结果与仿真结果的最大误差为0.12%, 平均误差为1.54%。由表3和图9可以看出:在小范围内锥形永磁轴承轴向磁力随单个磁环沿锥角为α方向的长度a的增大而增大。
2.4 锥形永磁轴承轴向磁力与其锥角α的关系解析
设置的锥形永磁轴承几何参数为:a=30mm, b=d=15mm。将相关参数代入式 (5) 和式 (9) 进行计算, 然后将计算所得结果和已知参数代入式 (11) ~式 (13) 计算锥形永磁轴承磁力。锥形永磁轴承轴向磁力解析模型计算结果和AN-SYS仿真结果如表4所示, 其对应的计算和仿真曲线如图10所示。计算结果与仿真结果的最大误差为9.8%, 最小误差为1.94%, 平均误差为3.59%。由表4和图10可以看出:锥形永磁轴承轴向磁力随其锥角α的增大而减小。
2.5 锥形永磁轴承轴向磁力与嵌套轴半径γｇ的关系解析
设置的锥形永磁轴承几何参数为:a=30mm, b=d=15mm, α=30°。将相关参数代入式 (5) 和式 (9) , 然后将计算结果和已知参数代入式 (11) ~式 (13) 计算锥形永磁轴承磁力。锥形永磁轴承轴向磁力解析模型计算结果和ANSYS仿真结果如表5所示, 其对应的计算和仿真曲线如图11所示。 计算结果和仿真结果的最大误差为6.79%, 最小误差为0.12%, 平均误差为2.27%。由表5和图11可以看出:锥形永磁轴承轴向磁力随嵌套轴半径rg的增大而增大。
2.6 锥形永磁轴承径向磁力与其径向偏移量e的关系阐析
设置的锥形永磁轴承几何参数为:a=30mm, b=d=15mm, α=30°, 将相关参数代入式 (5) 、式 (9) 、式 (12) 和式 (14) 进行计算, 然后将计算结果和已知参数代入式 (15) 计算锥形永磁轴承磁力。锥形永磁轴承径向磁力解析模型计算结果和ANSYS仿真结果如表6所示, 其对应的计算和仿真曲线如图12所示。计算结果和仿真结果的最大误差为11.1%, 最小误差为1.7%, 平均误差为2.6%。由表6和图12可以看出:锥形永磁轴承径向磁力随径向偏移量e的增大而增大。
本文数据误差产生的主要原因是:计算值中, 磁环平均周长对应的平均半径Rj存在计算误差;另外, 在ANSYS仿真计算中磁体结构建模时也存在误差。
3 结论
本文建立了锥形永磁轴承磁力解析模型, 分析了圆锥形永磁轴承轴向承载力与其结构参数之间的关系。结果表明:圆锥形永磁轴承磁力与磁环的平均周长和磁环磁通密度的平方成正比, 磁力随着磁环径向宽度的增大而增大, 随磁环截面长度的增大而增大;轴向磁力随磁环锥角的增大而减小, 随轴向偏移的增大而减小;径向磁力随着径向间隙的增大而增大。解析模型计算结果与ANSYS仿真结果基本一致, 最大误差小于11.1%。本文解析模型计算方法的成功应用, 解决了长期以来锥形永磁轴承磁力计算只有复杂的数值仿真算法, 而没有便于工程设计计算的磁力解析模型问题。
摘要：为了解决锥形永磁轴承缺乏磁力解析模型问题, 基于平面点磁荷的磁场和虚功原理, 结合两块平行矩形截面永磁体及锥形永磁轴承结构特点, 建立了锥形永磁轴承的磁力解析模型, 用ANSYS仿真验证了该解析模型的正确性, 分析了锥形永磁轴承悬浮磁力与其结构参数之间的关系。研究结果表明:锥形永磁轴承磁力与磁环的平均周长和磁环磁通密度的平方成正比, 磁力随着磁环径向宽度的增大而增大, 小尺寸范围内随磁环截面长度的增大而增大;轴向磁力随磁环锥角的增大而减小, 随轴向偏移的增大而减小。该研究模型为锥形永磁轴承设计计算及其结构参数优化提供了技术支持。
稀土永磁电机技术及应用探讨 篇6
近年来, 为了降低油田开发中的耗电大户—抽油机的电能损耗, 油田公司开始在抽油机上推广使用稀土永磁电机, 鄯善采油厂从2003年开始逐步在个别抽油机上试用稀土永磁电机, 经过使用后发现, 稀土永磁电机节能效果非常显著, 是一种非常好的抽油机节能电机, 完全可以广泛应用为抽油机的驱动电机, 以替代目前大量使用的三相异步电机。
一、抽油机机械采油节能的必要性
由于三相异步电机的转矩与定子电压的平方成正比, 起动时很大的起动电流在较长的配电线路上产生较大的电压降, 从而限制了电动机起动转矩的上升, 给抽油机起动造成困难, 这也就是有些配电线路较长的油井抽油机起动困难的主要原因。如果通过提高电动机装机功率的办法来增加起动能力, 由于功率较大的电动机的起动电流更大, 起动时的电压降更大, 这样就导致了电动机起动转矩增加并不多, 甚至更加不利于起动。因此, 各种异步节能电动机只能起到一定的治标作用, 不可能从根本上解决抽油机驱动电机的“大马拉小车”问题, 这是由异步电动机的机理决定的。
目前机械采油所用抽油机的配套三相异步电动机明显存在“大马拉小车”的问题。电机自身损耗很大, 功率因数很低, 这造成了电能的极大浪费。因此, 开展抽油机机械采油系统的节能工作势在必行。
二、稀土永磁电机节能的基本原理
电动机是以磁场为媒体进行机电能量转换的一种机电产品。根据电机学原理, 异步电动机的转速不可能等于气隙内旋转磁场的同步转速, 这是因为在转子绕组内要产生感应电动势和感应电流, 才能产生电磁转矩, 这是基本条件, 因此异步电动机又称感应电动机。为了使转子绕组上有电流流过, 除感生方式外, 也可以采用传导方式, 这是同步电动机内转子电流的产生方法。
为了建立机电能量转换所需的气隙磁场, 电动机磁路需有一定的磁势源来进行励磁, 因此电动机分为两种类型:一种是电励磁式, 即靠外接电源供给能量进行励磁, 如直流电动机、交流励磁电动机和一般的同步电动机;另一种是永磁式, 即利用永磁材料的固有特性, 经预先磁化 (冲磁) 后, 不再需要外加能量就能建立永久磁场, 这就是永磁电动机。
稀土永磁电机是一种同步电动机, 但不需要普通同步电动机的励磁绕组和集电环, 结构上酷似异步电动机那样简单, 在系统上也不象普通同步电动机那样需要励磁调节系统。它具有体积小、重量轻、结构简单、效率高、功率因数高、运行稳定、维护简单、性能优良等一系列特点, 集中了异步电动机和同步电动机的优点, 而又克服了两者的缺点。它可以代替异步电动机和同步电动机用在任何场合, 如用在交流变频调速系统中, 将比异步电动机调速系统的性能更加优良。
永久磁铁在经过外界磁场的预先磁化以后, 在没有外界磁场的作用下仍能保持很强的磁性, 并且具有N、S两极性和建立外磁场的能力。因此, 可以用来取代发电机或电动机的电励磁。这种采用永久磁铁作为励磁的电机, 称为永磁电机。
概括起来可总结为三点:
1. 不需励磁电源, 转子使用了永磁材料;
2. 没有励磁绕组, 降低了电机自身的损耗;
3. 功率因数高, 可以节约大量无功补偿容量。
三、TNYC系列抽油机专用稀土永磁电机简介
1. TNYC系列抽油机专用稀土永磁电机的特点
TNYC系列抽油机用三相永磁同步电动机是以Y系列电动机为基础, 其转子镶嵌稀土永磁材料--钕铁硼而制成的新型抽油机用节能驱动装置。它除保留了原来异步电动机结构简单、使用方便、经久耐用等全部优点外, 还具有功率因数和效率高且曲线平坦、起动转矩大、过载能力强等一系列优点, 非常适合于抽油机的特殊运行工况。使用该产品可以使抽油机的装机功率降低一个等级, 彻底解决抽油机驱动电机的"大马拉小车问题"。其外形和安装尺寸则与Y和Y2系列电动机完全一致, 现场换用非常方便, 如与新抽油机配套使用则效果更佳。与普通Y系列异步电机相比, 抽油机专用永磁同步电动机具有如下特点:
(1) 运行效率高
永磁同步电机为同步工作方式, 转子转速与定子旋转磁场完全同步, 与异步电机相比, 无转差损耗;与普通同步电机相比, 转子不需外加励磁电源, 消除了励磁损耗。因此, 永磁同步电机的额定效率可达到94%以上, 高于普通异步电机约4个百分点。更为重要的是, 通过优化设计, 抽油机专用永磁同步电动机轻载时在一定范围内的效率还高于额定值, 最高可达96%左右, 且此最高效率区恰好位于电机的平均负载率所在的区域, 使得高效区得到了展宽, 大大提高了整个冲程内的平均运行效率。而轻载时异步电机的效率已远低于其额定值, 两者在整个负载变化范围内的平均效率差值高达10%以上, 且由于抽油机大部分时间是工作于轻载状态, 因此, 平均有功节电率还可高于此值, 使节电效果更加理想。
(2) 运行功率因数高
同步电动机功率因数的大小由其转子励磁电流来决定, 永磁电机的功率因数则通过其转子永磁体磁场的强弱来决定, 因此可获得任意高的功率因数。经过优化设计, 抽油机专用永磁同步电动机的额定功率因数设计在0.98左右, 且在轻载时还高于额定值, 甚至在一定范围内还可起到补偿电容器的作用, 从而保证整个冲程内的自然平均运行功率因数在0.9以上。由于异步驱动电机的平均运行功率因数在0.4左右, 因此无功节电效果相当显著。
(3) 起动力矩大、起动电流小、过载能力强, 装机功率降低
永磁同步电动机采用异步起动方式, 可以直接起动。为了从根本上解决抽油机驱动电动机的“大马拉小车”问题, 抽油机专用永磁同步电动机的起动力矩和过载能力均提高1个机座号, 最大起动转矩倍数达到3.6倍, 既大大降低了电机的装机功率, 又有效降低了电机的运行损耗, 提高了节电效果。通过改进设计, 在保证起动力矩不降低的前提下, 起动电流得到明显降低。
(4) 是DSM (电力需求侧管理) 技术强有力的技术保障
TNYC系列抽油机专用高效永磁同步电动机应用后, 平均运行电流下降50%以上, 可使6/10KV配电线路上的损耗降低50%以上 (线损与电流的平方成正比) , 极大地降低了配电网和配电变压器上的运行损耗, 为DSM技术提供强有力的技术支持。
(5) 节省补偿电容器
TNYC系列抽油机专用高效永磁同步电动机应用后, 由于自然功率因数可达0.9以上, 完全可以省掉补偿电容器, 进而减少补偿设备的投资和维护费用。由于补偿电容器本身的质量问题等原因, 在户外使用极易衰减老化, 维护工作量很大, 很难起到应有的补偿效果。特别是由于是静态补偿, 补偿后的功率因数在0.7以下, 难以满足要求。
(6) 挖掘电网潜在容量
TNYC系列抽油机专用高效永磁电机应用后, 电机的视在功率降低了50%以上。也就是说, 有一半左右的电网容量被重新开发出来了, 相当于电网的供电能力提高了1倍, 或者说相当于新建了1个变电所。这部分容量可以用来为加密井等新的产能建设项目供电, 减少变电所的建设费用, 极大提高电网的利用率, 充分挖掘电网的潜在容量。
(7) 更换容易、维护方便
TNYC系列抽油机专用高效永磁同步电动机选用时至少可比普通异步电动机降低一个机座号, 现场更换方法与原异步电机相同, 非常容易。其维护要求也与普通异步电机相同, 非常方便。该系列电机的磁钢温度可达150℃, 每台电机出厂时都进行严格的质量检验, 而且具有较完善的售后服务措施, 完全可以满足用户的要求。
四、稀土永磁电机技术发展趋势
1. 向高效节能方向发展
高效是指满载时效率高, 节能是指综合节能效果。如效率相同, 但使用对象不同, 节电效果也不同。一般的稀土永磁同步电机, 平均节电率高达10%, 某些专用稀土永磁同步电机, 如油田抽油机用电机, 节电率高达15%~20%。
电机节能是一项系统工程, 应该从各个方面寻求降低电能消耗的方法。系统输入功率包括配电电源、电动机的控制、电动机本身、电动机与负载的连接以及最终被驱动的负载匹配。例如, 根据国家统计局1989年统计, 全国各类泵类、风机约有3700多万台, 总配套装机容量1.1亿KW, 每年耗电量占全国用电量的1/3。国际先进水平是:风机、水泵本身运行效率一般在85%以上, 系统运行效率是80%左右。而目前我国国产设备的本体设计效率为75%, 系统运行效率不到30%, 电源浪费十分严重。这种状况目前并未改变。
欧美等工业发达国家, 提高电动机效率重点放在异步电动机上, 英国三相异步电动机的用电量占电动机总用电量的86%。美国和欧盟在37k W以下的电动机台数占总装机台数的95%, 所以把节能重点放在异步电动机上是理所当然的。
根据我国国情, 高性能的稀土永磁材料已实现产业化, 钕铁硼的产量现已居世界第一位, 钕铁硼的价格也趋向合理。计算结果统计资料表明, 中小型永磁同步电动机的效率可提高5%, 节电率10%, 某些专用永磁同步电机节电达15%~20%。所以发展永磁同步电动机是新世纪电机工业技术发展趋势之一。
2. 向机电一体化方向发展
要提升传统机电产品的水平, 必须紧紧抓住机电一体化这个环节。实现机电一体化的基础, 是发展各种机电一体化需用的各种高性能稀土永磁电机, 如数控机床用伺服电机, 计算机用VCM音圈电机。一台60把刀加工中心, 要配备30台伺服电机。变频调速稀土永磁同步电机和无刷直流电机是机电一体化的基础。
3. 向高性能方向发展
现代化装备向电机工业提出各种各样的高性能要求, 如军事装备要求提供给各种高性能信号电机, 移动电站, 自动化装备用伺服系统及电机, 航空航天用高性能、高可靠性永磁电机, 化纤设备用高调速精度变频调速同步电动机, 数控机床、加工中心、机器人用高调速比稀土永磁伺服电机, 计算机用高精度摆动电机及主轴电机等等。
4. 向专用电机方向发展
电机所驱动的负载千变万化, 如全部采用通用型电动机, 在某些情况下, 技术经济很不合理。因此国外大力发展专用电机, 专用电机约占总产量的80%, 通用电机占20%。而我国恰恰相反, 专用电机只占20%, 通用型电机占80%。专用电机是根据不同负载特性专门没计的, 如油田用抽油机专用稀土永磁电机, 节电率高达20%。这方面的节能潜力很大。电机工作者不仅要研究电机本身, 更应当研究所驱动负载的特性, 设计出性能先进、运行可靠、价格合理的稀土永磁电机产品。
5、向轻型化方向发展
航空航天产品, 电动车辆、数控机床、计算机、视听产品、医疗器械、便携式光机电一体化产品等, 都对电机提出体积小、重量轻的严格要求。有些还对产品形状提出要求, 如信息产品提出扁平化, 世界上最小的电机已达到Φ0.8mm、102mm, 用于医疗检测。
五、促进稀土永磁电机推广应用的建议
1. 自上而下要高度重视电机节能工作
自十一届三中全会以后, 国家开始重视节能工作, 明确提出:“开发与节能并重, 把节能放在首位”的能源方针。这一方针, 对开展、推动电机节能工作指明了方向。对我们油田而言, 各级领导、各级主管部门、各级管理人员都应该不断提高认识, 高度重视电机节能工作的有效开展。为此, 应当大力开展节能宣传教育活动, 增强企业全民节能意识, 特别是各级主管部门应把电机节能工作列入日常工作日程, 采取主管部门干预的办法, 淘汰耗能大的落后电机产品, 逐步推广新型节能电机。
2. 大力开展节能电机效果评价工作
目前存在的低效电机不能淘汰, 高效电机无法推广这一情况, 是和没能很好地开展节能电机的效果评价工作有关的。
因此, 为了能够大力推广节能电机新产品, 各级主管部门应有针对性地、很好地开展节能电机效果评价工作。
3. 电机选用时应和电机厂家密切联系, 合理选型。
使用单位在选电机时往往容量过大, 大马拉小车情况严重。电机负载率低, 不仅在价格上多投资, 而且能源浪费严重。负载率低的原因, 除选配人员思想保守外, 认为选配容量大一点的电机, 使用起来安全可靠。此外也有实际问题, 如电机的连接尺寸, 所传动机械的起动转矩、峰值功率大、机械产品在运转过程中负载有变化等, 如油田抽油机起动时需要较大的功率, 正常运转时, 功率就降低了。这样就需电机设计者与电机使用者密切结合, 研究设计起动转矩倍数高的产品。从而在选用电机时就可以减小配套电机容量, 这样既能减少投资, 又能节约能源。
永磁同步电动机直接转矩控制 篇7
内置式永磁同步电动机 (IPMSM) 由于具有高功率密度和宽调速范围的优点, 非常适合作为电动汽车的驱动电机[1]。而出于降低成本以及电动汽车空间受限的考虑, 无传感器控制技术无疑是电动汽车驱动电机非常合适的控制策略。内置式永磁同步电机无传感器控制方法主要分为适用于启动、低速的方法和适用于中、高速的方法两大类[2]。启动时的初始位置检测以及低速阶段基本上都采用的是高频信号注入方法[3,4], 而中高、速无传感器技术可采用的方法很多, 如磁链估计法[5]、模型参考自适应 (MRAS) 法[6]、状态观测器法[7]、滑模变结构法[8]等。
根据无传感器和直接转矩的优点, 将两者结合起来进行IPMSM直接转矩的无传感器控制研究, 并进行仿真得出结论。
1 IPMSM数学模型
旋转坐标系下的常用IPMSM电压方程可表示为:
其中, ud (t) 、uq (t) 、id (t) 、iq (t) 分别为d-q轴系的电压和电流, Ld、Lq分别为d-q轴系的电感, R、ωr分别为绕组电阻和转子转速, p为微分算子。
假设电机的参数不随温度变化, 忽略磁滞、涡流损耗, 转子无阻尼绕组, 那么定子磁链方程可表示为:
转矩方程为:
其中, np为极对数。
运动方程为:
其中, TL为负载转矩, J为电机转动惯量, B为阻尼系数。
2 直接转矩控制原理
相对于矢量控制, 直接转矩控制只需要采用定子磁链定向控制, 便可以在定子坐标系内实现对电动机磁链、转矩的直接观察和控制。由于只需要检测定子电阻即可准确观测定子磁链, 解决了矢量控制中系统性能受转子参数影响的问题。
根据式 (2) 、式 (3) , 并用定子电流矢量is表示, 得:
其中, β为定子电流矢量is与ψf间的夹角, 称为转矩角。
如果定义δsm为定子磁链矢量ψs与永磁体励磁磁链矢量ψf间的电角度, 则有:
将式 (2) 、式 (6) 带入式 (3) , 整理可得:
上式表明:电机参数确定后, 电磁转矩的大小与励磁磁场磁链矢量和定子磁链矢量的幅值以及两者之间的空间相位移有关。
3 IPMSM无传感器直接转矩控制系统
在实施直接转矩控制时, 将磁链、转矩观测值与给定值之差经两滞环控制器条件后便获得磁链、转矩控制信号, 再综合考虑定子磁链的当前位置来选取合适的电压空间矢量, 形成对电机转矩的直接控制。
控制系统根据电机的三相电流和电压, 利用磁链和转矩估计算法估计出实时磁链和转矩大小以及磁链所在扇区, 之后分别与转矩和磁链给定值进行滞环比较, 最后根据比较值的控制要求合理选择逆变器的开关矢量, 使电机按控制要求调节输出转矩, 最终达到调节速度的目的。控制系统结构如图1所示。
4 控制系统仿真
为验证上述控制方法的性能, 在Matlab7.0的Simulink平台上进行仿真实验, 控制系统仿真图如图2所示。
图3给出了永磁同步电机启动至设定值转速时的转矩和估计转矩的变化曲线;图4给出了永磁同步电机启动至设定值转速时的转速和A相定子电流的响应曲线。仿真时初始负载转矩设定为1N·m, 在0.2s给电机突然加到2N·m。
从仿真情况可以看出, 整个控制系统有非常好的动态性能和稳态性能。
5 结语
仿真结果表明, 这种方法能够有效地估计永磁同步电机的转子位置和速度, 电机的各种性能能够满足实际工作的需要。
参考文献
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