永磁电机的变频器选择、编程和调谐

本文图片来源 ：Yaskawa

作者 | Robert Bonczar

“ 永磁电机需要变频器才能更有效地运行。本文详细介绍了感应电机与永磁电机的区别，以及变频器设置和调谐建议。 ”

感应电机（IM）和永磁电机（PM）的设计不同，包括是否使用变频器（VFD）。感应电机的设计，能够使用跨线电源以恒定转速运行。永磁电机的设计不适用于跨线运行，永磁电机需要变频器提供正确的输出，以实现有效地运行。

 感应电机vs. 永磁电机

重要的是要了解感应电机和永磁电机之间的设计差异，以便使用变频器来适当地控制每个电机，并为应用选择最合适的电机和变频器。图1 展示了感应与永磁电机的扭矩曲线。

▎图 1 ：了解感应电机和永磁电机的设计差异，有助于电机和变频器的选择和应用。

感应电机是一种异步电动机，需要转差才能产生扭矩。电机转速是指令频率和转差频率之间的差值。电机扭矩随转差率而变化。

永磁电机是一种同步电机，其电机转速等于变频器指令的频率，并且只能在同步转速下产生扭矩。

感应和永磁电机规格不同。由于转子包含磁铁，因此永磁电机设计比感应电机更紧凑、更高效。因为永磁电机已经产生了磁场，所以可以获得瞬时和恒定的扭矩。感应转子是绕制的，需要定子磁场的感应来产生转子磁场。一般来说，永磁电机更复杂，需要编程的变频器来运行。

▎图 2 ：感应电机（异步电动机）需要转差才能产生扭矩。电机转速是指令频率和转差频率之间的差值。电机扭矩随转差频率变化（绿色）。永磁电机是一种同步电机，其中电机转速等于变频器指令的频率。扭矩只能在同步转速下产生（蓝色）。

永磁电机的关键信息

对于永磁电机，很重要的一件事是了解反电动势（B a c k E M F）。永磁电机会像发电机一样，通过旋转电机自然产生电压。反电动势电压的单位为V / k r p m。设置和调谐变频器时，此值通常可在电机铭牌上找到。

其它关键部件是永磁电机的定子电阻以及L d 和L q电感值（显示电感路径）。L d 和L q 电感，为通常相隔90 度的两个矢量控制坐标。流经L d 的电流决定了磁场的控制。流经Lq 的电流决定了扭矩的产生（图3）。

▎图 3 ：永磁体的关键部件是电机的定子电阻以及 Ld 和 Lq电感值（显示电感路径）。Ld 和 Lq 电感为通常相隔 90 度的两个矢量控制坐标。流经 Ld（右）的电流决定磁场的控制。通过 Lq（底部）的电流决定扭矩的产生。

电阻以及L d 和L q 电感值（显示电感路径）。L d 和L q 电感为通常相隔90 度的两个矢量控制坐标。流经L d（右）的电流决定磁场的控制。通过L q（底部）的电流决定扭矩的产生。

 永磁电机变频器设置和调谐示例 

下面是一个变频器设置和调谐示例，用于在鼓风机应用中运行永磁电机。在设置和调谐驱动器之前，需要了解以下10 条信息（如表2 所示）。

这些信息包括电机型号、电机额定功率（h p）、电机额定电压（V a c）、电机额定频率（H z）、电机额定安培数（A）、电机极数、电机定子电阻(Ω), Ld 电感（mH）、Lq 电感（mH）和反电动势（V/krpm）。如果电机铭牌上没有此数据，请联系电机制造商。

 用于永磁电机应用的变频器选择和编程 

所选变频器必须能够为其电机提供适当的电流和电压。正如我们从电机铭牌上看到的，电压可能为230V a c 或460 V a c，并且还列出了每个电机的电流。对于本例，使用230 Vac，电流为6.7 A。

为变频器编程时，首先选择控制方法。输入铭牌和表格中的数值，就可以为驱动器配置参数（表2）。图4（第一个变频器屏幕）显示了所选开环矢量模式下的永磁电机。该应用是一个鼓风机，不需要反馈，例如电机转速反馈至变频器的编码器。因此，这是开环模式。在接下来的屏幕中，进入调谐部分以输入从电机收集的剩余数据。

▎图4 ：第一个变频器屏幕，显示所选开环矢量模式下的永磁电机。该应用是一个鼓风机，不需要反馈，因此是开环模式。在接下来的屏幕中，转至调谐部分，输入从电机收集的其余数据。

可以采用不同的自动调谐方法。调谐过程允许变频器通过计算和优化参数，以更紧密地匹配电机特性。数据表上的信息是已知的，因此与其说是调谐，不如说是输入电机信息。

在某些情况下， 有些信息可能不容易获得。如果是这样，变频器可以利用最小信息来计算。对于静态方法，变频器只能计算L d、L q 和R（电阻）或只有R。但无论哪种情况，都需要反电动势。这些静态自动调谐不会旋转电机。如果电机已经连接到应用上，并且可能不容易拆卸，则首选这种方法。

旋转自动调谐方法，要求电机自由旋转或与应用断开连接。如果反电动势未知，则必须进行旋转自动调谐。这将旋转电机。在旋转自动调谐中，必须将任何负载从电机轴上断开，以确保计算仅针对电机。额外的荷载将使计算产生偏差。

在每次启动时，变频器还需要对齐转子的位置。这也是在初始自动调谐期间完成的。变频器可以向电机定子注入电流或高频，以找到转子的磁极。当使用闭环系统时，编码器反馈装置作为参考点。

在本例中使用吸合方法，将直流电流注入定子。这会对最近的极点产生吸引力（图5）。

▎图5 ：在每次启动时，变频器还需要对齐转子位置。这也是在初始自动调谐期间完成的。变频器使用吸合方法将直流电流注入定子。这会对最近的极点产生吸引力。

 验证永磁电机的运行 

如果电机方向不正确，可能是电机导线接错。要解决此问题，请切断电源并更换三根电机导线中的任意两根（图6）。

▎图 6 ：如果电机方向不正确，可能是电机导线 接错。要解决此问题，请切断电源并更换三 根电机导线中的任意两根。

这也可能是因为电机的磁极在相反方向上比正向更靠近磁铁，这是正常的。如果发生连续振荡，或变频器上出现最终电机失步故障，可能需要额外调谐L d 和L q 参数，以进行更精细的调谐。如果应用不允许反向，使用高频方法可能更好。

永磁电机比感应电机更复杂，可能需要更多的时间进行设置和调谐。这样做可能还需要联系变频器制造商，以获得进一步的帮助和更合适的参数设置。

关键概念： 

■ 了解永磁电机应用的变频器选择、编程和调谐。

■ 学习如何在变频器设置和自动调谐后验证永磁电机的运行。

思考一下： 

了解如何设置和调谐变频器以使永磁电机更有效地运行？

审核编辑：汤梓红