起重机械用新型绕线转子自起动永磁同步电动机研究

起重机是应用及其广泛的工程机械装备，一般采用异步电动机-齿轮减速机-卷扬机构的传动模式。本项研究是利用永磁同步电动机效率和功率因数与负载率近似无关的特点，解决起重机械由于平均负载率低而导致的电机效率和功率因数低问题；通过减小永磁电动机内电势波形畸变率，解决电机发电状态运行对电网的谐波污染问题；通过对绕线转子外串阻抗的最优化控制，解决笼型永磁电机起动过程的大电流和瞬时转矩冲击问题；通过多极降低同步速，实现起升高度和速度要求较大的塔式起重机一体化直驱。课题将绕线转子异步电动机和笼型自起动永磁电动机的优点有机组合，为起重机械装备的研究开辟新思路。我国拉动内需的经济策略，使我国成为工程机械装备，尤其是起重机械装备的制造和使用大国，各类起重装备的年需求总量千亿元人民币以上，其耗电量占我国年发电量的5%～6%。本项研究成果，会使起重机械装备能量转换效率平均提高20%以上，对节能降耗具有重要意义。

本项目提出一种绕线转子自起动永磁电机及其起动控制方法，用于频繁重载起动的起重机驱动领域。通过在起动过程中实时斩波调节转子外串电阻和异步转矩，实现电机的无极平滑起动，提高永磁电机起动转矩的同时能够抑制起动电流，避免了绕线异步电机采用分级切换电阻方法带来的转矩和电流冲击。.在分析绕线转子永磁电机的起动方式的基础上，综合考虑电机驱动性能和转子回路起动控制器性能，结合混合Taguchi遗传算法，设计了两台7.5kW绕线转子自起动永磁电机样机；建立了电机及其控制系统起动特性计算模型，采用场、路和运动耦合法对样机及控制器起动过程进行仿真分析；分析了异步转矩和发电制动转矩的生成原理、影响因素和控制策略。针对发电制动转矩在低速阶段削弱合成起动转矩的问题，提出了采用增加转子弱磁绕组的方法，削弱起动阶段的永磁磁场，抑制发电制动转矩，取得较好效果；通过对磁路结构优化设计，实现电机低速直驱，取消传统大型起重机的减速机环节，简化传动系统，提高系统性能。建立了转子回路IGBT斩波调阻准动态数学模型。对比分析了几种不同的电路模型，发现当斩波频率大于1K时，基于RCD型缓冲电路的斩波调阻模型具有良好的线性控制规律，并且对电机基本参数和环境因素敏感性低，具有良好的鲁棒性，本项目设计制造了基于RCD型缓冲电路的起动控制器；进行了不同供电电源和负载工况条件下的实验研究，包括反拖实验、堵转实验、起动和稳态性能实验等。对比分析了相同额定参数的绕线转子永磁电机、绕线异步电机和鼠笼转子永磁电机的性能。最后对起重机直驱技术，即将传统绕线异步电机经过减速机进行重物提升的驱动模式改为采用低速大转矩绕线转子永磁电机直接驱动卷筒，取消减速机进行了初步研究，有望在后续研究中应用于工程实际。.研究结果表明，采用转子斩波调阻方法起动的绕线转子永磁电机相比鼠笼转子永磁电机，起动转矩明显提高，起动电流大小及起动转矩冲击也有一定程度下降；在稳态运行时，相比绕线异步电机，能在较宽的负载范围内具有较高的效率和功率因数。.主要研究成果有：学术论文9篇（EI检索4篇）,授权专利7项,申请专利3项。培养已毕业的硕士4名、在读博士1名、在读硕士1名。