電動汽車用異步電動機低速轉(zhuǎn)矩最大化

2018-01-29 11:04:44 電工技術(shù)學(xué)報　點擊量：評論 (0)

輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué))、湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院、重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員劉慶、劉

輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室(重慶大學(xué))、湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院、重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院的研究人員劉慶、劉和平、劉平、郭強、苗軼如，在2017年第24期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出，電動汽車用異步電動機經(jīng)常會遇到爬坡等低速重載運行工況，特別對于低壓大電流的交流異步電動機，在逆變器電流限制條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩最大化非常重要。

以電機穩(wěn)態(tài)電路為基礎(chǔ)，建立電流約束條件下基于非線性勵磁電感的低速轉(zhuǎn)矩最大化模型。模型分析表明該最優(yōu)問題可以簡化為一維搜索問題，并采用經(jīng)典的搜索算法在低速范圍進行求解。

實際電機計算結(jié)果和理論分析表明，整個低速范圍內(nèi)最大轉(zhuǎn)矩值工作點的轉(zhuǎn)矩值、齒部磁通密度、轉(zhuǎn)差率幾乎保持恒值，相當飽和的磁場導(dǎo)致嚴重的非線性。非線性勵磁電感應(yīng)用于改進的空間矢量控制系統(tǒng)，實現(xiàn)大電流約束條件下低速轉(zhuǎn)矩最大化運行，仿真結(jié)果表明控制方法的正確性。實驗結(jié)果也驗證了轉(zhuǎn)矩優(yōu)化模型、模型分析結(jié)論及改進的空間矢量控制方法的正確性。

隨著能源危機與環(huán)境污染問題的進一步加劇，世界各國都面臨嚴峻挑戰(zhàn)，節(jié)能減排勢在必行。目前交通領(lǐng)域占到石油消費的一半以上，發(fā)展新能源汽車具有重要意義[1]。異步電動機由于其結(jié)構(gòu)簡單可靠、工藝成熟、成本低廉，成為電動汽車主流選擇之一[2]。

特別在發(fā)展中國家，電動汽車的成本和安全往往是最為重要的因素，為小功率低壓短途電動汽車的發(fā)展提供了很大的空間。較低的電池電壓具有天然的安全性，而且電池串聯(lián)數(shù)的減少使電池管理復(fù)雜度降低，提高了系統(tǒng)的可靠性。

低電壓的另一特點在于可采用低壓MOSFET作為功率開關(guān)器件，與IGBT相比在成本和開關(guān)速度方面具有明顯優(yōu)勢。電動汽車異步電動機驅(qū)動拓撲如圖1所示。

圖1 電動汽車異步電動機驅(qū)動拓撲結(jié)構(gòu)

作為電動汽車用異步電動機，其工況遠遠復(fù)雜于一般工業(yè)電機，通常采用單一固定減速比，需要很寬的調(diào)速范圍[3]，因此電機設(shè)計時必須兼顧低速和高速運行性能，從變頻驅(qū)動電機角度進行優(yōu)化設(shè)計[4]。由于母線電壓限制，電機高速運行時必然工作于弱磁狀態(tài)，繞組串聯(lián)匝數(shù)越多，則弱磁越厲害，高速轉(zhuǎn)矩輸出能力越弱。而高速加速性能對電動汽車而言非常關(guān)鍵，必須達到相應(yīng)指標。

考慮到電機的成本和車載重量限制，不應(yīng)采取大馬拉小車的辦法來解決低速與高速之間的矛盾，因此電機繞組通常采取串聯(lián)匝數(shù)相對較少的設(shè)計方案。然而，這些措施必然會導(dǎo)致電機低速運行時同等輸出轉(zhuǎn)矩下線電流很高，給逆變器造成嚴重的電流負荷，必須進行電流限制?？梢娫陔姍C結(jié)構(gòu)定型及線電流限制條件下如何獲取低速最大轉(zhuǎn)矩非常重要。

文獻[5-7]研究了最大轉(zhuǎn)矩/安培運行模式，在給定轉(zhuǎn)矩負荷條件下實現(xiàn)最小定子電流，其最優(yōu)條件為勵磁電流等于轉(zhuǎn)矩電流(Id=Iq)。但這種條件在磁場不飽和時成立，適于輕載運行，不能應(yīng)用于低速重載運行?；陔娏鳝h(huán)控制的SVPWM系統(tǒng)須解決好Id與Iq的解耦問題[8-11]，異步電動機高速解耦存在較大難度，但低速下采用經(jīng)典解耦方法即可。

空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)存在死區(qū)諧波問題[12,13]，在電機特低速運行下可導(dǎo)致嚴重的轉(zhuǎn)矩抖動，采取相應(yīng)的死區(qū)補償可以很大程度解決該問題，對于低速重載運行這些方法也適宜。許多學(xué)者在線性模型基礎(chǔ)上進行了效率優(yōu)化研究[14-17]，但對低速磁飽和下的轉(zhuǎn)矩最大化研究未查到相關(guān)文獻。

本文以短途電動汽車用低壓異步電動機低速重載為研究對象，利用電機穩(wěn)態(tài)等效電路建立轉(zhuǎn)矩最大優(yōu)化模型，進行線性模型分析，而后在電機磁路分析基礎(chǔ)上建立勵磁電感非線性模型，并以此對轉(zhuǎn)矩最大優(yōu)化模型進行深入分析計算，表明電機最大轉(zhuǎn)矩下磁場嚴重飽和，電機處于嚴重非線性狀態(tài)。傳統(tǒng)SVPWM的勵磁電感為定值[10,11,18]，在磁場嚴重飽和條件下導(dǎo)致磁場定向錯誤，必須改進SVPWM控制系統(tǒng)才能實現(xiàn)低速重載下轉(zhuǎn)矩最大化。

圖4 48V、8kW電動汽車異步電動機