電動汽車用異步電動機低速轉矩最大化

2018-01-29 11:04:44 電工技術學報　點擊量：評論 (0)

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

輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學)、湖南大學電氣與信息工程學院、重慶理工大學電氣與電子工程學院的研究人員劉慶、劉和平、劉平、郭強、苗軼如，在2017年第24期《電工技術學報》上撰文指出，電動汽車用異步電動機經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轉矩最大化非常重要。

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

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

隨著能源危機與環境污染問題的進一步加劇，世界各國都面臨嚴峻挑戰，節能減排勢在必行。目前交通領域占到石油消費的一半以上，發展新能源汽車具有重要意義[1]。異步電動機由于其結構簡單可靠、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，而且電池串聯數的減少使電池管理復雜度降低，提高了系統的可靠性。

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

圖1 電動汽車異步電動機驅動拓撲結構

作為電動汽車用異步電動機，其工況遠遠復雜于一般工業電機，通常采用單一固定減速比，需要很寬的調速范圍[3]，因此電機設計時必須兼顧低速和高速運行性能，從變頻驅動電機角度進行優化設計[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，繞組串聯匝數越多，則弱磁越厲害，高速轉矩輸出能力越弱。而高速加速性能對電動汽車而言非常關鍵，必須達到相應指標。

考慮到電機的成本和車載重量限制，不應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匝數相對較少的設計方案。然而，這些措施必然會導致電機低速運行時同等輸出轉矩下線電流很高，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結構定型及線電流限制條件下如何獲取低速最大轉矩非常重要。

文獻[5-7]研究了最大轉矩/安培運行模式，在給定轉矩負荷條件下實現最小定子電流，其最優條件為勵磁電流等于轉矩電流(Id=Iq)。但這種條件在磁場不飽和時成立，適于輕載運行，不能應用于低速重載運行?；陔娏鳝h控制的SVPWM系統須解決好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，但低速下采用經典解耦方法即可。

空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)存在死區諧波問題[12,13]，在電機特低速運行下可導致嚴重的轉矩抖動，采取相應的死區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。許多學者在線性模型基礎上進行了效率優化研究[14-17]，但對低速磁飽和下的轉矩最大化研究未查到相關文獻。

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，利用電機穩態等效電路建立轉矩最大優化模型，進行線性模型分析，而后在電機磁路分析基礎上建立勵磁電感非線性模型，并以此對轉矩最大優化模型進行深入分析計算，表明電機最大轉矩下磁場嚴重飽和，電機處于嚴重非線性狀態。傳統SVPWM的勵磁電感為定值[10,11,18]，在磁場嚴重飽和條件下導致磁場定向錯誤，必須改進SVPWM控制系統才能實現低速重載下轉矩最大化。

圖4 48V、8kW電動汽車異步電動機