同步电机在纺织行业的应用

在交流电网上，人们还广泛使用着交流异步电动机来拖动工作机械。交流异步电动机具有结构简单，工作可*、寿命长、成本低，保养维护简便。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，轻载时尤甚，这大增加了线路和电网的损耗。长期以来，在不要求调速的场合，例如风机、水泵、普通机床的驱动中，异步电动机占有主导地位，当然这类拖动中，无形中损失了大量电能。
　　过去的电力拖动中，很少采用同步电动机，其主要原因是同步电动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。电机很难启动。自70年代以来，科学技术的发展极大地推动了同步电动机的发展和应用，主要的原因有：
　　1、 高性能永磁材料的发展。
80年代初钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。它们不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需涂复处理。经过这几年的不断改进提高，这些缺点大多已经克服，现钕铁硼永磁材料最高的工作温度已可达180℃

2、电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发应用。
　　70年代出现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转变为频率连续可调的变频电源，这就为交流电机的变频调速创造了条件。这些变频器在频率设定后都有软起动功能，频率会以一定速率从零上升设定的频率，而且此上升速率可以在很大的范围任意调整，这对同步电动机而言就是解决了起动问题

　3、 规模集成电路和计算机技术的发展完全改观了现代永磁同步电动机的控制，集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用。

二、稀土永磁同步电动机的基本结构              

           稀土永磁同步电动机的定子为三相对称绕组，与三相异步电动机结构相同。转子上粘有钕铁硼（NdFeB）磁钢。驱动器为交-直-交电压型逆变器，通过正弦波脉宽调制（SPWM）输出频率、电压可变的三相正弦波电压。

             同步电动机的基本控制原理

           三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正弦波电流，并在气隙中产生旋转磁场。旋转磁场的角速度ω1=2πf/p,其中p为电动机对数。这个旋转磁场与已充磁的磁极作用，带动转子与旋转磁场同步旋转并力图使定、转子磁场轴线对齐。当外加负载转矩以后，转子磁场轴线将落后定子磁场轴线一个θ功率角，负载愈大，θ也愈大，直到一个极限角度θm，电动机失步为止。由此可见：同步电动机在运行中，要么转速与频率严格成比例旋转，否则就失步停转。所以，它的转速与旋转磁场同步。它的静态误差为零；在负载扰动下，只是功率角θ变化，而不引起转速变化，它的响应时间是实时的。这是其它调速系统做不到的。

               交流同步电动机它的转速与电源频率完全成正比。

               Ns=60f／p  (r／min)

           式中  f-电源频率；

                 p-极对数；

                 Ns-同步转速。

               而交流异步电动机，它与同步电动机的区别在于：转速与电源频率不成正比，其转速始终比同步电动机还要低，其转差率S为：

               N=(1-s)Ns  (r／min)

               S=(Ns-N)／Ns·100％

稀土永磁同步电动机舆专用永磁同步电动机驱动器（变频器）配套构成机电一体化产品。电动机的转速n舆设定频率f按n= 关系不变。负载转矩的变化只会起功率角的实时变化，却不会引起转速变化，静、动态指针理想。由于不需要从电网吸收无功电流，转子上既无铜耗又无铁耗，所以它在很宽的负载范围内能保持接近于1的功率因子，其效率比同容量的异步电动机提高8%左右，力能指针（ η×cosφ ）提高18%左右。稀土永磁同步电动机的功率密度比同容量异步电动机提高15%左右。稀土永磁同步电动机的基频一般设定位50、100、150Hz,这样可以降低成本，使其性能价格比远高于普通异步电动机加变频器
同步电动机具有以下主要性能：

     (1)调速精度高、调速度误差在1／30000，提高了应用行业产品的制造工艺水平；避免了

     (2)调速范围宽，20HZ-100HZ。  

     (3)控制简便、可*性高，电机采用开环控制，使得整个变频控制系统可*性提高、价格降低；

     (4)高效率、功率因数高达0．95以上；

     (5该系列电机与变频控制、计算机联网组成全自动调速控制系统，性能优于传统的其它类调速电机；

     (6)电机的恒转矩输出和转速不随负载波动的特性。通过变频器有效控制，可使其输出转速保持恒定。

　　三、 永磁同步电动机在纺织行业中的应用

　　纺织行业中的驱动电机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机（包括无刷直流电动机）三大类，它们的综合特性比较见表。


三大类电动机的综合特性比较表


机械
特性
过载
能力
可控
性
平稳
性
噪声
电磁
干扰
维修
性
寿命
体积
效率
成本

交流异步电动机
软
小
难
较差
较大
小
易
长
大
低
低

有刷直流电动机
软
大
易
较好
大
严重
难
短
较小
高
较高

永磁同步电动机
（包括无刷直流电机）
硬
大
易
好
小
小
易
长
小
高
较高


按照不同的机械的要求，电机驱动又分为定速驱动、调速驱动 1、 定速驱动
　　纺织行业中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行　　对这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低，结构简单牢*，维修方便，很适合该类机械的驱动。但是，异步电动机效率、功率因数低、损耗大，而该类电机使用面广量大，故有大量的电能在使用中被浪费了。
　。
　　2、 调速驱动
　　纺织行业中有相当多的工作机械，其运行速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要求并不非常高。这类驱动系统在纺织行业中通常采用齿轮传动，通过齿轮变换工艺的设备如：FA506 FA507环锭细纱机，FA1603气流纺，KV505牵伸加捻机等。但这些设备的机械结构比较复杂，故障率较高，维修难度大。 　

由于采用齿轮传动机械结构比较复杂，故障率较高，维修难度大，也就使同步电机在纺织行业的应用显得很有意义。利用同步电机的调速精度高、调速范围宽、控制简便、效率高的特点，将原有的齿轮传动系统简化为同步电机传动，可使原有的传动系统十分简洁，更改工艺无需变换齿轮，只需修改控制器的参数就可以，由于采用同步电机传动，取消了齿轮箱，有齿轮箱产生的如漏油、齿轮磨损、等一系列问题也就迎刃而结。具体做法就是将同步电机通过法兰或底座安装在传动轴附近通过同步齿形带传动。这种传动方式在环锭细纱机罗拉的传动，主轴电机的传动以及在气流纺的应用效果都很不错。下面我就以同步电机在转杯气流纺纱机中的应用为例子对同步电机在纺织行业的具体应用作一个简单的介绍。

传统的气流纺纱机车头传动系统采用一台车头电机通过皮带带动齿轮箱传动机器两侧的引纱卷绕和喂棉罗拉，现在市场销售不错的大卷装气流纺纱机为了更改工艺方便，也只是将引纱和喂棉的传动分别用两台电机传动，但仍保留齿轮箱。因此一直有一个问题无法解决，就是齿轮箱漏油，齿轮磨损，可*性差，维修不方便等问题。有许多工程师也想出了利用四台变频电机分别传动两侧的引纱和喂棉罗拉省去了齿轮箱。解决了齿轮箱漏油，齿轮磨损，可*性差，维修不方便等问题，但又带来了新问题，由于异步电机存在转差，就是异步电机的转速是随着负载的变化而变化，变化幅度在纺机上经实测达3％。这就造成了大纱和小纱时的纱线支数不同，而且两台相同的电机也存在转速差异。使左右侧的纱线支数差异较大，影响了产品的质量。

气流纺纱机对电气传动的要求可以概括为："三高"和"一少"。：

高同步性(一台纺纱机不同纺位的电机转速要求横向转速一致，纵向比例同步)；

高精确性(转速稳定，精确度)；

高可*性(至少保证一年安全连续运行8000h)。

少维修或免维修。

由于同步电动机转速精度仅决定于供电频率精度，与负荷变化无关。为了保证纤维的纤度均匀，采用了高精度的变频调速器和永磁式同步电动机，无需采用闭环控制，就可以保证电机转速精度达到0.1％~0.01％水平。因此很好的解决了气流纺纱机对电气传动的要求高的难题。

控制回路图

永磁同步电动机与变频器的配合中，关键是个压频比的问题。通用变频器根据不同的电机特性可以设置不同的压频比。在实践中发现，当电机不在自己的运行曲线下，电机将发生下列现象(1)不能启动；(2)电流增大；(3)噪音；(4)振动；(5) 温升过高等问题,一定要认真设置。

我门在一家纺织企业经过实际测试在引纱变频频率为40.1HZ时，采用异步电机传动和采用同步电机传动进行了对比，结果见下表。


电机类型
左侧引纱空载
右侧引纱空载
左侧引纱带负载
右侧引纱带负载

同步电机
802
802
802
802

异步电机
781
752
743
711


从表中可以得出结论永磁同步电机的转速性能大大优于异步电机

　　四、 永磁同步电动机的应用前景

　　由于电子技术和控制技术的发展，永磁同步电动机的控制技术亦已成熟并日趋完善。以往同步电动机的概念和应用范围已被当今的观念大大扩展。可以毫不夸张地说，永磁同步电动机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活到各种高精尖的科技领域作为最主要的驱动电机出现，而且前景会越来越明显。