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永磁同步電機(jī)在電梯技術(shù)上的應(yīng)用

時(shí)間:2009-04-24 16:39:42來(lái)源:huanglj

導(dǎo)語(yǔ):?本文基于永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),闡述了其在電梯技術(shù)應(yīng)用的控制方式和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),并對(duì)其安全可靠性等優(yōu)點(diǎn)作出一定的評(píng)價(jià)。
摘 要:新材料、新工藝的研究與應(yīng)用,產(chǎn)生了當(dāng)今技術(shù)成熟的永磁同步電機(jī)。本文基于永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),闡述了其在電梯技術(shù)應(yīng)用的控制方式和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),并對(duì)其安全可靠性等優(yōu)點(diǎn)作出一定的評(píng)價(jià)。 關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī);永磁材料;剩磁密度;矯頑力;超速保護(hù) 1 引言 隨著稀土永磁同步電機(jī)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,以及和變頻控制實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化,永磁同步電動(dòng)機(jī)已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油、冶金、建材、食品、印刷、包裝、造紙、造船、塑料、紡織化纖、軍工等行業(yè)。其種類很多,用量非常大。永磁同步電動(dòng)機(jī)以其體積小、節(jié)能、控制性能好、又容易做成低速直接驅(qū)動(dòng),消除齒輪減速裝置,可通過(guò)頻率的變化進(jìn)行調(diào)速等優(yōu)點(diǎn),在電梯技術(shù)上也得以開(kāi)發(fā)應(yīng)用。其運(yùn)行低噪聲、電梯平層精度和乘客舒適感都優(yōu)于以前的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。特別是近幾年來(lái),KONE電梯公司研發(fā)的無(wú)機(jī)房電梯,率先應(yīng)用了永磁同步電機(jī),使得永磁同步電機(jī)無(wú)齒輪曳引技術(shù)嶄露頭角,顯示了巨大的優(yōu)越性,得到業(yè)內(nèi)人士的普遍看好,永磁同步電機(jī)在電梯設(shè)計(jì)上的研發(fā)具有很大的實(shí)用價(jià)值。 2 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子部分與一般的異步電機(jī)無(wú)多大不同,其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子區(qū)別是多了一套永磁體。其結(jié)構(gòu)隨永磁材料性能不同和應(yīng)用領(lǐng)域的差異而不同,根據(jù)剩磁密度Br和矯頑力Hc等技術(shù)參數(shù)的不同,而磁極結(jié)構(gòu)不同。電梯技術(shù)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用的稀土永磁同步電機(jī)常做成瓦片式,貼在轉(zhuǎn)子的表面,或嵌在轉(zhuǎn)子鐵心中,分內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型兩種。 永磁材料的應(yīng)用是永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。永磁材料近年來(lái)的開(kāi)發(fā)很快,現(xiàn)有鋁鎳鈷、鐵氧體和稀土永磁體三大類。稀土永磁體又有第一代釤鈷5(SmCo5),第二代釤鈷2:17(Sm2Co17)和第三代釹鐵硼(Nd—Fe—B)。鋁鎳鈷是20世紀(jì)三十年代研制成功的永磁材料,具有較高剩磁密度Br,剩磁感應(yīng)強(qiáng)度高,熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),但矯頑力Hc很低(如圖1曲線1),抗退磁能力差,而且要用貴重的金屬鈷,成本高,大大限制了它在電機(jī)中的應(yīng)用。鐵氧體磁體是20世紀(jì)50年代初開(kāi)發(fā)的永磁材料,價(jià)格低廉,具有較高矯頑力Hc,但剩余磁通密度較低(如圖1曲線2),剩磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁能積BH都較低,性能不夠理想。稀土永磁材料在六十年代后期問(wèn)世,它兼有鋁鎳鈷和鐵氧體兩種永磁材料的優(yōu)點(diǎn),Br和Hc都很高(如圖1曲線3),具有很高的最大磁能積(BH)max。如SmCo5的(BH)max,240kj/m3,Sm2Co17(BH)max,3300kj/m,。而且退磁曲線基本上是一條直線,回復(fù)線與退磁曲線基本重合,不怕丟磁,性能穩(wěn)定,且熱穩(wěn)定性較好,剩磁溫度系數(shù)小。但釤鈷族稀土材料的鈷價(jià)格較高,影響其在永磁同步電機(jī)的應(yīng)用。80年代初開(kāi)發(fā)的釹鐵硼(Nd—Fe—B)稀土永磁材料,性能十分優(yōu)越,(BH)max,3800kj/m3(~l圖1曲線4),到90年代,其(BH)max,500kj/m 。Nd—Fe—B稀土材料不含價(jià)格昂貴的鈷,其可加工性能也比較好,價(jià)格相對(duì)便宜。我國(guó)又是稀土大國(guó),儲(chǔ)量世界第一。開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景廣泛,適合在永磁同步電機(jī)中應(yīng)用。目前,廣泛應(yīng)用在電梯技術(shù)領(lǐng)域的永磁同步曳引電機(jī)就是釹鐵硼(Nd—Fe—B)稀土永磁同步電機(jī)。
3 電梯永磁同步曳引電機(jī)的控制方式 永磁同步電機(jī)的控制方式與其他電機(jī)的控制方式不同。其控制方式一般有:(1)id=0控制方式、(2 cosΦ= 1控制方式、(3)轉(zhuǎn)矩線性控制方式、和(4)總磁鏈恒定控制方式四種。電梯永磁同步曳引電機(jī)的控制方式只要是第一種。其控制相量圖如圖2。
圖中ψf是永磁體產(chǎn)生的磁鏈,由ψf引起的電動(dòng)勢(shì)為Eo,電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)電樞電流為I,I可以分成d軸分量Id和q軸分量lq,d軸分量Id產(chǎn)生去磁磁勢(shì),引起磁鏈ψad,q軸分量Iq產(chǎn)生q軸磁勢(shì),引起磁鏈ψaq這時(shí),電動(dòng)機(jī)的合成磁鏈為 m,ψ m引起的電動(dòng)勢(shì)為Em,Em也可以看作是Eo與ψad產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)jIdXd及ψaq產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)jIqxq之和,由Em加上電樞繞組的壓降Ir就得到電動(dòng)機(jī)的端電壓u,圖中u與Eo的夾角δ為同步機(jī)的功率,u與I的夾角θ為功率因素角, o是電樞電流與q軸的夾角。 如控制逆變器的導(dǎo)通相位角 γo=0,則id=0,電樞電流中沒(méi)有勵(lì)磁分量,圖中的γad=0,不會(huì)引起永磁電機(jī)退磁現(xiàn)象;此時(shí),同步電機(jī)的相量圖如圖3。這時(shí),電機(jī)的電樞反應(yīng)只存在于交軸(q軸),功角和電機(jī)的端電壓均隨負(fù)載的增加而增大。
4 電梯永磁同步曳引電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 采用永磁同步電機(jī)的電梯曳引系統(tǒng),通常為無(wú)齒輪曳引方式。突顯了永磁同步電機(jī)易于做成低轉(zhuǎn)速、大功率的優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)緊湊,功能齊全,集曳引電機(jī)、曳引輪、電磁制動(dòng)器、光電編碼器于一身,易于安裝,便于使用。特別是在無(wú)機(jī)房電梯的開(kāi)發(fā)應(yīng)用中,將永磁同步曳引電機(jī)安裝在電梯的井道里,既節(jié)約了機(jī)房的建造成本,又美化了建筑物外觀。其控制圖如圖4。當(dāng)電梯負(fù)載變化時(shí),永磁同步電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)夾角8來(lái)適應(yīng),其響應(yīng)速度很快。為了使電梯有良好的起、制動(dòng)舒適性和平層準(zhǔn)確度,在系統(tǒng)中加入了準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置裝置和電壓電流檢測(cè)裝置,隨時(shí)確定電機(jī)磁場(chǎng)的大小、方向。位置檢測(cè)裝置采用轉(zhuǎn)子位置傳感器(光電編碼器器或旋轉(zhuǎn)變壓器等)。轎廂負(fù)載檢測(cè)裝置可采用位置型、壓力型等多種形式,對(duì)電梯負(fù)載進(jìn)行預(yù)先測(cè)量并計(jì)算,給出恰當(dāng)方向和大小的力矩,可輸出開(kāi)關(guān)量、模擬量(電壓)和頻率量(高頻抗干擾性強(qiáng),能遠(yuǎn)距離傳送)等。 將反饋的信號(hào)與給定信號(hào)相比較、運(yùn)算、按預(yù)定的控制方式加以控制,可以得到優(yōu)于其它驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。
5 永磁同步電機(jī)在電梯開(kāi)發(fā)應(yīng)用的安全性和可靠性 永磁同步電機(jī)在電梯的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中,得以開(kāi)發(fā)利用,較高地提高了電梯曳引系統(tǒng)安全性和可靠性。當(dāng)曳引機(jī)制動(dòng)失靈或其它故障引起電梯向上行方向溜車(chē),乃至飛車(chē)時(shí),它具有安全保護(hù)作用,滿足我國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB7588—2003(電梯制造與安裝安全規(guī)范》9.10轎廂上行超速保護(hù)裝置的要求。使用永磁同步曳引電機(jī)的電梯,在失電視又解除其長(zhǎng)必出點(diǎn)將電動(dòng)機(jī)電樞繞組短截(或串接可調(diào)電阻器后短接),當(dāng)出現(xiàn)超速(不論上行、下行)故障時(shí),控制系統(tǒng)檢測(cè)到超速信號(hào),立即切斷控制器供電回路,并將電動(dòng)機(jī)電樞繞組短接(或串聯(lián)可調(diào)電阻器后短接)。這時(shí),靜止的繞組切割旋轉(zhuǎn)的永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)而感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì),在閉合的電樞繞組回路中引起電流,該電流在磁場(chǎng)作用下引起力矩,企圖帶動(dòng)電樞繞組隨磁極一起旋轉(zhuǎn);同時(shí),該轉(zhuǎn)矩受反力矩則作用在轉(zhuǎn)子磁極上,力圖使轉(zhuǎn)子隨定子電樞繞組一起停止下來(lái),是一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。該過(guò)程類似于直流電機(jī)的能耗制動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)了防墜落防飛車(chē)(制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過(guò)電阻器調(diào)節(jié)使溜車(chē)速度可控)。永磁體和閉合的電樞繞組相互作用,產(chǎn)生停車(chē)自閉這種非接觸雙向保護(hù),大大增加了電梯的安全性和可靠性,特別減小了各類超高速電梯的安全鉗鍥塊在高速動(dòng)作時(shí)因高溫?fù)p毀所引起的安全風(fēng)險(xiǎn)。 由于無(wú)齒輪曳引機(jī)的曳引輪與電動(dòng)機(jī)同軸,通常曳引輪與制動(dòng)輪同體,因此,采用永磁同步無(wú)齒輪曳引電機(jī)技術(shù),可不設(shè)上行超速保護(hù)系統(tǒng),在電梯驗(yàn)收檢驗(yàn)中當(dāng)然也就可以不作要求。 另外,同步電機(jī)可以通過(guò)向電樞繞組供直流電來(lái)實(shí)現(xiàn)帶負(fù)載零速停車(chē),從而可以真正做到無(wú)須抱閘的機(jī)械制動(dòng),實(shí)現(xiàn)電氣的零速停車(chē)。這樣可防止由于抱閘失靈造成溜車(chē)的故障,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。 6 結(jié)束語(yǔ) 在電梯的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中,開(kāi)發(fā)應(yīng)用永磁同步電機(jī),作為電梯的曳引電機(jī),是一種技術(shù)的進(jìn)步。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,少維護(hù);安全可靠性高;對(duì)環(huán)境的噪聲污染低、無(wú)油脂污染,并能提高電力功率因素,是理想的環(huán)保產(chǎn)品;提高機(jī)械傳動(dòng)效率,使用節(jié)能、經(jīng)濟(jì),具有較高的性價(jià)比;與交流無(wú)齒輪異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比,低速性、快速性、硬機(jī)械特性和停車(chē)自閉等優(yōu)點(diǎn),是異步電動(dòng)機(jī)所無(wú)法相比的;與直流無(wú)齒輪電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比,具有更高的低速性能、調(diào)速精度、快速響應(yīng)性能,且壽命長(zhǎng)、耗電少、維護(hù)簡(jiǎn)單;此外,還易于實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩的電梯理想驅(qū)動(dòng)模型。 參考文獻(xiàn) (1)蔡少林.電梯技術(shù)【M】.2006

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