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。可見在電機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。基于電流環控制的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