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磁鐵輔助型同步磁阻馬達變頻驅動的控制策略探討

摘要"

近年由於環保與省能源意識抬頭,節能減碳已成為各產業發展方向,亦衍生出碳排放權、碳足跡等綠色產品認證指標。
截至2016年,全球主要國家針對標準工業用感應馬達,皆已實施IE2效率等級的管制。而美、加更早在2010年12月起陸續實施等同於IE3的NEMA Premium效率等級,歐盟在2015年1月、日本則於2015年4月開始實施IE3,臺灣於2016年7月實施。使用高效率馬達,不僅可為企業減少用電成本,也可為環保盡一份心力,高效率馬達的發展及其商機,也是各廠家所關注的議題。節能市場需求日益擴大,各製造商分別推出不同形式高效率馬達,如感應馬達(Induction Motors, IM)、永磁同步馬達(Permanent Magnet Synchronous Motors, PMSM)、自啟動永磁馬達(Line Start Permanent Motor, LSPM)、磁阻馬達(Reluctance Motors)等,磁阻馬達又分為開關式磁阻馬達(Switched Reluctance Motors, SRM)及同步磁阻馬達(Synchronous Reluctance Motors, SynRM),根據IEC60034-30-1內文指出[1],傳統感應馬達要做到IE4極其困難,如要開發IE4以上效率等級(7.5kW@1500rpm:92.6%),就需要導入新型馬達結構,例如永磁同步馬達或磁阻馬達,各形式馬達效率特性如表1所示。

關鍵詞:高效率、IE5、磁鐵輔助型同步磁阻馬達控制策略

以永磁同步馬達來達到IE4以上之效率等級,因轉子使用稀土類材料,所以製造成本相較於其它類型馬達來的高,故在高效率馬達的技術發展上,開始研究未使用稀土材料之馬達,如同步磁阻馬達,此類馬達最大的優點在於:完全不使用稀土元素、製造容易,且透過IE4同步磁阻馬達,只需加入微量的磁石材料及設計優化,就有機會發展出IE5超高效率馬達。
磁阻馬達由於其結構簡單、環境耐受度佳與成本優勢,國際大廠ABB以此設計推出IE4效率等級之同步磁阻馬達(SynRM)系列產品,並在SynRM架構下進行優化、加入微量磁石材料,提高馬達性能,進而發展出磁鐵輔助型同步磁阻馬達(Permanent Magnet Assisted Synchronous Reluctance Machines, PMA-SynRM),宣稱效率可達IE5水準(7.5kW@1500rpm:94%),此類馬達也將成為日後各廠家發展高效率馬達之重要研究項目之一,本文即針對PMA-SynRM之控制策略及技術發展進行介紹。
磁鐵輔助型同步磁阻馬達數學模型

磁鐵輔助型同步磁阻馬達採用三相兩極之數學模型,定義如圖1所示,其中vias、vbs、vcs和ias、ibs、ics為三相電壓與電流,θr為電氣角度,假如轉子極數大於2,需考慮極對數關係,其中P為轉子極數,定義了d和q軸,d軸對應為磁阻最小位置,q軸為磁阻最大位置。經由向量轉換[3]獲得轉子座標軸之電壓及磁通鏈方程式,其變數以上標”r”來表示……(更多內容,請見機新刊雜誌

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