变频驱动配置，高效运行，采用永磁电机

永磁交流(PMAC)电机由于在不同速度和扭矩范围内具有更高的效率和节能潜力，因此在变速，高占空比运动控制应用中的需求不断增加。图1显示了一个3马力风扇应用中的电机效率示例，其中高效PMAC电机的效率比感应电机提高了5%-12%。变频驱动器(VFD)需要在变速应用中控制PMAC电机和感应电机。PMAC电机的VFD配置和其他考虑因素可以导致最佳的系统性能，这可能意味着在电机应用中实现所需节能的成功与失败之间的差异。

术语“PMAC”用于指定具有正弦反电动势(反电动势)并且可以有效地由三相正弦波输出变频器驱动的永磁电机。“无刷直流电动机”或“永磁直流电动机”是由简单的梯形输出驱动器驱动的梯形反电动势电动机。PMAC电机有时也被称为“无刷永磁”或“ECPM”(电子换向永磁)。

无传感器控制

在过去的几年里，许多主要的变频器制造商已经将“无传感器”PMAC电机控制能力引入到他们的低成本驱动模型中。以前，永磁电机的使用仅限于伺服系统或采用闭环反馈控制的专门应用。由于相关闭环控制系统的成本和安装复杂性，永磁电机被有效地排除在风扇，泵和其他主要应用之外。现在，随着无传感器PMAC控制算法添加到vfd，有机会在广泛的变速，高占空比应用中获得永磁电机的节能优势。

VFD配置复杂性

无传感器PMAC电机控制的vfd配置比感应电机更复杂，原因有两个:

1.感应电机的控制算法已经发展和完善了几十年，而无传感器PMAC控制仍然是相对较新的。

2.与感应电机相比，不同供应商的PMAC电机之间存在更多的可变性。

感应电机的VFD配置已达到成熟的常规操作:将铭牌电机特性输入VFD，通常运行自动调谐程序，然后感应电机就可以使用了。对于PMAC电机，可能需要更多的电机数据，包括电机铭牌上未提供的信息。此外，PMAC电机性能可能因不同的VFD而有很大差异，并且取决于特定无传感器PMAC控制的适用性以及适当的参数配置进入VFD的适当输入。

在选择变频器用于PMAC电机运行时，应咨询变频器和电机制造商的技术意见。PMAC电机制造商可能会有一份推荐或“合格”的驱动器列表，这些驱动器已经过验证，可以提供PMAC电机设计提供的效率和稳健性能。他们也可能已经开发、优化和测试了VFD配置，作为“封装解决方案”提供PMAC电机和预编程VFD。

PMAC电机特性

除了与感应电机共享的标准电机铭牌特性(额定功率，额定转速，额定频率，满载安培和标称电压)外，PMAC电机的绕组电感，绕组电阻和电机反电动势特性必须在VFD中正确配置。这些值对于成功的运动操作至关重要。

应该指出的是，PMAC电机的VFD自动配置的复杂性正在稳步提高。一些制造商现在包括自动调优程序，删除了手动配置VFD参数的一些要求。然而，在PMAC电机和VFD没有作为打包解决方案提供的情况下，有必要了解PMAC电机的特性，并了解VFD提供的具体控制算法。需要这些信息来确定电机驱动组合是否适合运动控制应用的性能目标。

电机绕组电感

PMAC电机设计分为两大类:表面贴装磁体(SPM)设计和内部永磁体(IPM)设计。IPM电机的绕组电感随转子角度的变化而变化。电机绕组电感的最大值出现在转子位置的正交轴处，称为q轴电感(Lq);最小绕组电感发生在直轴，称为d轴电感(Ld)。

SPM电机的绕组电感几乎不随转子位置变化(Ld≈Lq)。

绕组电感随转子角度的变化称为“磁显著性”，可以表示为百分比变化((Lq - Ld) / Ld) * 100.0。SPM电机的显著性可以忽略不计;根据内部永磁电机的设计，IPM电机具有从几个百分点到100%或更多的显着性。图2显示了一个示例IPM电机的绕组电感，显着率为20%。

IPM和SPM电机的VFD控制策略存在显著差异，特别是在选择合适的电机启动算法以及恒功率区域内电机转速能力的优化方面。图3显示了运动操作区域。对于IPM或SPM电机，VFD电感参数的准确配置对于实现最佳扭矩输出和电机效率至关重要。

电动机启动

在PMAC电机开始旋转之前，必须确定磁极位置。具有pmac功能的变频器可以提供在不同电机启动算法之间进行选择的能力，每种算法都具有所需的磁性显著性水平。具有足够显著性的IPM电机可以允许VFD采用“高频注入”方法，在短时间内将高频电压信号施加到电机上。产生的电流幅值取决于转子位置，可以测量并用于在没有轴旋转的情况下精确确定转子位置。

SPM电机不具有磁显著性，需要替代初始转子位置估计方法;直流磁化或类似的方法可以用来迫使转子进入一个已知的位置。初始极点定位旋转的可接受性需要评估预期的运动控制应用。对于大多数风扇和泵的应用，一个小的初始反向旋转是可以接受的;对于其他应用，如运输，在反向的初始运动可能是不可接受的。

恒功率区域相位推进

大多数具有pmac功能的变频器在电机速度超过电机标称速度的恒功率工作区域采用电机电流相位推进。这个工作区域通常是电压限制的;然而，通过采用相位推进技术，电机能够在不需要额外电压的情况下以更高的速度运行。通常情况下，电机电流和电机反电动势的相位是对齐的，从而产生最大的转矩输出。推进电流相位减小电机转矩;然而，这是可以接受的恒定功率区域，其中电机是热限制和更高的速度是需要的。

在具有足够磁显著性的IPM电机的情况下，配备现代相位推进算法的变频器可以以比SPM电机使用的传统相位推进方法更高的速度运行电机。与PMAC和变频器制造商进行技术咨询是必要的，以确定电机驱动相位推进能力，以及在以标称速度运行电机时可能影响电机或变频器可靠性的任何硬件限制。

电动机反电势

PMAC电机产生正弦反电动势电压;电机反电动势的幅值与电机的转速成正比，反电动势幅值与转速的斜率称为电机Ke。

除非VFD是专门为PMAC电机预编程的，或者提供自动调谐功能，否则电机Ke将需要以适当的单位作为参数输入。一些变频器要求以电机的标称速度输入反电动势，而不是以mV/rpm等典型单位输入Ke。

PMAC电机在无电状态下旋转时产生反电动势电压。解决无动力电机旋转可能出现的安全问题，并提供适当的警告和/或电路保护是很重要的。

PWM开关频率

变频驱动采用直流母线电压的脉宽调制(PWM)开关，向电机产生三相正弦电流。PWM开关频率(有时称为载波频率)通常是VFD的可配置设置，典型的选择范围为2-16 kHz。低PWM开关频率允许VFD的高额定电流输出，但导致电机发出更多可听噪声;高PWM开关频率降低了变频器的额定输出能力;然而，电机的可听噪声水平降低了。PWM开关频率也影响变频器效率。在具有传统IGBT(绝缘栅双极晶体管)电力电子器件的典型3-10 hp VFD中，每1 kHz PWM开关频率的VFD电损耗增加约2-3瓦。

随着变频器PWM开关频率的变化，电机效率基本不变。然而，在一个3马力的系统中，开关频率每增加8 kHz, VFD的效率就会降低约1.0%(图4)。在给定的应用中，使用低PWM开关频率的效率优势需要与可听电机噪声的允许水平相平衡。

最小电流设置

PMAC电机在广泛的速度和扭矩范围内提供高运行效率。然而，为了实现最佳的部分负载效率，重要的是要确保VFD“最小电流”参数(如果提供的话)没有设置为不必要的高电平。图5显示了一个高效率的3马力PMAC电机在不同vfd下运行时的效率。除了VFD 4的最小电流设置明显高于应用程序所需外，所有VFD的配置都是正确的。改变设置以匹配应用需求导致部分负载下电机效率提高5%-10%。

谨慎储蓄

与感应电机相比，PMAC电机提供了显著节能的机会。但是，必须注意选择和配置适当的pmac兼容VFD，以实现效率优势并确保稳健的电机控制。

- Kim Baker是NovaTorque Inc.的应用工程副总裁。CFE Media内容经理Mark T. Hoske编辑，控制工程、mhoske@cfemedia.com．

关键的考虑

• 正确配置永磁交流(PMAC)电机的变频驱动器，以获得最佳的系统性能和所需的节能
• 如果PMAC电机在无电状态下旋转，请注意安全问题。

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