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行業(yè)視點(diǎn)
同步電機(jī)在紡織行業(yè)的應(yīng)用
內(nèi)容簡介：由于電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電動機(jī)的控制技術(shù)亦已成熟并日趨完善。以往同步電動機(jī)的概念和應(yīng)用范圍已被當(dāng)今的觀念大大擴(kuò)展�？梢院敛豢鋸埖卣f，永磁同步電動機(jī)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(jī)出現(xiàn)，而且前景會越來越明顯。
　　一、同步電動機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用 
　　過去的電力拖動中，很少采用同步電動機(jī)，其主要原因是同步電動機(jī)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(jī)很難啟動。自70年代以來，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展極大地推動了同步電動機(jī)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(qiáng)度，高的矯頑力，高的磁能積，這些特點(diǎn)特別適合在電機(jī)中使用。它們不足是溫度系數(shù)大，居里點(diǎn)低，容易氧化生銹而需涂復(fù)處理。經(jīng)過這幾年的不斷改進(jìn)提高，這些缺點(diǎn)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(dá)180℃ 
　　2、電力電子技術(shù)的發(fā)展大大促進(jìn)了永磁同步電動機(jī)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(jī)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(jī)而言就是解決了起動問題 
　　3、 規(guī)模集成電路和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展完全改觀了現(xiàn)代永磁同步電動機(jī)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(jī)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(jī)的基本結(jié)構(gòu) 
　　稀土永磁同步電動機(jī)的定子為三相對稱繞組，與三相異步電動機(jī)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(jī)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(jī)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(dāng)外加負(fù)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(fù)載愈大，θ也愈大，直到一個極限角度θm，電動機(jī)失步為止。由此可見：同步電動機(jī)在運(yùn)行中，要么轉(zhuǎn)速與頻率嚴(yán)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(fù)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(jī)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(jī)，它與同步電動機(jī)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(jī)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(jī)輿專用永磁同步電動機(jī)驅(qū)動器（變頻器）配套構(gòu)成機(jī)電一體化產(chǎn)品。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n輿設(shè)定頻率f按n= 關(guān)系不變。負(fù)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(fù)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(jī)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(jī)的功率密度比同容量異步電動機(jī)提高15%左右。 稀土永磁同步電動機(jī)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(yuǎn)高于普通異步電動機(jī)加變頻器 
　　同步電動機(jī)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(jī)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(dá)0．95以上； 
　　(5該系列電機(jī)與變頻控制、計算機(jī)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(jī)； 
　　(6)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩輸出和轉(zhuǎn)速不隨負(fù)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(jī)在紡織行業(yè)中的應(yīng)用 
　　紡織行業(yè)中的驅(qū)動電機(jī)常用的有交流異步電動機(jī)、有刷直流電動機(jī)和永磁同步電動機(jī)（包括無刷直流電動機(jī)）三大類，它們的綜合特性比較見表。 
　　三大類電動機(jī)的綜合特性比較表 
　　機(jī)械 特性 過載 能力 可控 性 平穩(wěn) 性 噪聲 電磁 干擾 維修 性 壽命 體積 效率 成本 
　　交流異步電動機(jī) 軟 小 難 較差 較大 小 易 長 大 低 低 
　　有刷直流電動機(jī) 軟 大 易 較好 大 嚴(yán)重 難 短 較小 高 較高 
　　永磁同步電動機(jī) （包括無刷直流電機(jī)） 硬 大 易 好 小 小 易 長 小 高 較高 
　　按照不同的機(jī)械的要求，電機(jī)驅(qū)動又分為定速驅(qū)動、調(diào)速驅(qū)動 
　　1、 定速驅(qū)動 
　　紡織行業(yè)中有大量的生產(chǎn)機(jī)械要求連續(xù)地以大致不變的速度單方向運(yùn)行　　對這類機(jī)械以往大多采用三相或單相異步電動機(jī)來驅(qū)動。異步電動機(jī)成本較低，結(jié)構(gòu)簡單牢*，維修方便，很適合該類機(jī)械的驅(qū)動。但是，異步電動機(jī)效率、功率因數(shù)低、損耗大，而該類電機(jī)使用面廣量大，故有大量的電能在使用中被浪費(fèi)了。 
　　2、 調(diào)速驅(qū)動 
　　紡織行業(yè)中有相當(dāng)多的工作機(jī)械，其運(yùn)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(xì)紗機(jī)，F(xiàn)A1603氣流紡，KV505牽伸加捻機(jī)等。但這些設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故障率較高，維修難度大。 
　　由于采用齒輪傳動機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故障率較高，維修難度大，也就使同步電機(jī)在紡織行業(yè)的應(yīng)用顯得很有意義。利用同步電機(jī)的調(diào)速精度高、調(diào)速范圍寬、 控制簡便、效率高的特點(diǎn)，將原有的齒輪傳動系統(tǒng)簡化為同步電機(jī)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(jī)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(jī)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(xì)紗機(jī)羅拉的傳動，主軸電機(jī)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(jī)在轉(zhuǎn)杯氣流紡紗機(jī)中的應(yīng)用為例子對同步電機(jī)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(jī)車頭傳動系統(tǒng)采用一臺車頭電機(jī)通過皮帶帶動齒輪箱傳動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)存在轉(zhuǎn)差，就是異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是隨著負(fù)載的變化而變化，變化幅度在紡機(jī)上經(jīng)實測達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)不同紡位的電機(jī)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(yùn)行8000h)。 
　　少維修或免維修。 
　　由于同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速精度僅決定于供電頻率精度，與負(fù)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(jī)，無需采用閉環(huán)控制，就可以保證電機(jī)轉(zhuǎn)速精度達(dá)到0.1％~0.01％水平。因此很好的解決了氣流紡紗機(jī)對電氣傳動的要求高的難題。 
　　控制回路圖 
　　永磁同步電動機(jī)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(jī)特性可以設(shè)置不同的壓頻比。在實踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)不在自己的運(yùn)行曲線下，電機(jī)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(rèn)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(jī)傳動和采用同步電機(jī)傳動進(jìn)行了對比，結(jié)果見下表。 
　　電機(jī)類型 左側(cè)引紗空載 右側(cè)引紗空載 左側(cè)引紗帶負(fù)載 右側(cè)引紗帶負(fù)載 
　　同步電機(jī) 802 802 802 802 
　　異步電機(jī) 781 752 743 711 
　　從表中可以得出結(jié)論永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速性能大大優(yōu)于異步電機(jī) 
　　四、 永磁同步電動機(jī)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(jī)的控制技術(shù)亦已成熟并日趨完善。以往同步電動機(jī)的概念和應(yīng)用范圍已被當(dāng)今的觀念大大擴(kuò)展�？梢院敛豢鋸埖卣f，永磁同步電動機(jī)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(jī)出現(xiàn)，而且前景會越來越明顯。
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步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域。
　　目前用于電腦繡花機(jī)的步進(jìn)電機(jī)多數(shù)為五相混合式步進(jìn)電機(jī)，目的是通過采用高相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來減小步矩角和提高控制精度，但是采用該種方式獲得的性能上的提高是有限的。
德國研發(fā)出準(zhǔn)確檢測風(fēng)電機(jī)扇葉缺陷的新方法
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郭淑英：突破電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)核心技術(shù)，聚焦電力電子
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神力投資6億建設(shè)高端電機(jī)生產(chǎn)基地
　　神力高端電機(jī)生產(chǎn)基地建設(shè)項目總用地200畝，一期用地95畝。記者在現(xiàn)場看到，目前2個倉庫的部分鋼結(jié)構(gòu)框架搭建已完成，5個車間已通過基礎(chǔ)驗收，準(zhǔn)備進(jìn)行主體建設(shè)。
水泥廠電動機(jī)節(jié)能分析及電機(jī)環(huán)�；鳂I(yè)。
　　水泥廠采用變頻器控制將有以下諸多優(yōu)點(diǎn)：(1)采用變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，取消擋板調(diào)節(jié)，降低了設(shè)備的故障率，節(jié)電效果顯著；
安川電機(jī)斥巨資在華建大型產(chǎn)業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)基地。
　　目前，安川電機(jī)機(jī)器人項目兩期總規(guī)劃用地面積10萬平方米，其中一期占地5萬平方米，建筑面積2萬多平方米，注冊資本3250萬美元。設(shè)計產(chǎn)能1200臺套機(jī)器人/年(含控制系統(tǒng))，年銷售將實現(xiàn)6億元人民幣。
智能電機(jī)助力推廣 加快電氣行業(yè)的發(fā)展。
　　在進(jìn)行使用智能電機(jī)的同時，一定要懂得產(chǎn)品的使用原理，這樣才能夠更好的運(yùn)用到實際的生產(chǎn)當(dāng)中去。在生產(chǎn)當(dāng)中，一定要需要智能電機(jī)在一個設(shè)備的內(nèi)部進(jìn)行全方位的掌控，并且可以反映使用的參數(shù)，優(yōu)化電氣設(shè)備的配置，從而將電機(jī)的使用效率發(fā)揮到最佳的狀態(tài)。
高效電機(jī)的推廣與應(yīng)用已經(jīng)刻不容緩。
　　高效電機(jī)推廣可追溯到2008年。我國于2008年將電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能列入國家十大節(jié)能工程之一，2009年又把高效、超高效電機(jī)應(yīng)用列入惠民工程，2010年6月2日下發(fā)通知稱，將高效電機(jī)納入節(jié)能產(chǎn)品惠民工程實施范圍，使高效電機(jī)的市場推廣備受關(guān)注。
伺服電機(jī)本土廠商仍將有很大作為。
　　展望未來，隨著伺服電機(jī)價格的不斷下降、伺服市場接受度不斷上升，中低端市場有非常大的增長空間，因此本土伺服電機(jī)廠商仍將有很大作為；同時臺灣、日本廠商也將在整個市場的擴(kuò)大中獲益，歐美品牌的伺服電機(jī)市場占有率將逐漸下降，但仍將保持很高的毛利水平。
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