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(dāng)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(biāo)。
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。基于電流環(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。