對(duì)低壓短途電動(dòng)汽車用異步電動(dòng)機(jī)低速重載運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行了研究

輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)、苗軼如，在2017年第24期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，電動(dòng)汽車用異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)常會(huì)遇到爬坡等低速重載運(yùn)行工況，特別對(duì)于低壓大電流的交流異步電動(dòng)機(jī)，在逆變器電流限制條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩最大化非常重要。

以電機(jī)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(lì)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(jiǎn)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(jìn)行求解。

實(shí)際電機(jī)計(jì)算結(jié)果和理論分析表明，整個(gè)低速范圍內(nèi)最大轉(zhuǎn)矩值工作點(diǎn)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(chǎng)導(dǎo)致嚴(yán)重的非線性。非線性勵(lì)磁電感應(yīng)用于改進(jìn)的空間矢量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大電流約束條件下低速轉(zhuǎn)矩最大化運(yùn)行，仿真結(jié)果表明控制方法的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了轉(zhuǎn)矩優(yōu)化模型、模型分析結(jié)論及改進(jìn)的空間矢量控制方法的正確性。

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

特別在發(fā)展中國(guó)家，電動(dòng)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(dòng)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(diǎn)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(shì)。電動(dòng)汽車異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1電動(dòng)汽車異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

作為電動(dòng)汽車用異步電動(dòng)機(jī)，其工況遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜于一般工業(yè)電機(jī)，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(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須兼顧低速和高速運(yùn)行性能，從變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。由于母線電壓限制，電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)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(duì)電動(dòng)汽車而言非常關(guān)鍵，必須達(dá)到相應(yīng)指標(biāo)。

考慮到電機(jī)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(jī)繞組通常采取串聯(lián)匝數(shù)相對(duì)較少的設(shè)計(jì)方案。然而，這些措施必然會(huì)導(dǎo)致電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)同等輸出轉(zhuǎn)矩下線電流很高，給逆變器造成嚴(yán)重的電流負(fù)荷，必須進(jìn)行電流限制。可見在電機(jī)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(xiàn)[5-7]研究了最大轉(zhuǎn)矩/安培運(yùn)行模式，在給定轉(zhuǎn)矩負(fù)荷條件下實(shí)現(xiàn)最小定子電流，其最優(yōu)條件為勵(lì)磁電流等于轉(zhuǎn)矩電流（Id=Iq）。但這種條件在磁場(chǎng)不飽和時(shí)成立，適于輕載運(yùn)行，不能應(yīng)用于低速重載運(yùn)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(dòng)機(jī)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(jī)特低速運(yùn)行下可導(dǎo)致嚴(yán)重的轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)，采取相應(yīng)的死區(qū)補(bǔ)償可以很大程度解決該問題，對(duì)于低速重載運(yùn)行這些方法也適宜。許多學(xué)者在線性模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了效率優(yōu)化研究[14-17]，但對(duì)低速磁飽和下的轉(zhuǎn)矩最大化研究未查到相關(guān)文獻(xiàn)。

本文以短途電動(dòng)汽車用低壓異步電動(dòng)機(jī)低速重載為研究對(duì)象，利用電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路建立轉(zhuǎn)矩最大優(yōu)化模型，進(jìn)行線性模型分析，而后在電機(jī)磁路分析基礎(chǔ)上建立勵(lì)磁電感非線性模型，并以此對(duì)轉(zhuǎn)矩最大優(yōu)化模型進(jìn)行深入分析計(jì)算，表明電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩下磁場(chǎng)嚴(yán)重飽和，電機(jī)處于嚴(yán)重非線性狀態(tài)。傳統(tǒng)SVPWM的勵(lì)磁電感為定值[10,11,18]，在磁場(chǎng)嚴(yán)重飽和條件下導(dǎo)致磁場(chǎng)定向錯(cuò)誤，必須改進(jìn)SVPWM控制系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)低速重載下轉(zhuǎn)矩最大化。

圖448V、8kW電動(dòng)汽車異步電動(dòng)機(jī)

圖11感應(yīng)電機(jī)改進(jìn)矢量控制系統(tǒng)框圖

結(jié)論

本文針對(duì)低壓短途電動(dòng)汽車用異步電動(dòng)機(jī)低速重載運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩特性進(jìn)行研究，建立了電流、電壓約束下條件的轉(zhuǎn)矩最大優(yōu)化模型，并對(duì)線性模型和非線性模型均進(jìn)行了深入分析計(jì)算，結(jié)論如下：

1）對(duì)于低壓大電流電機(jī)，低速下轉(zhuǎn)矩優(yōu)化模型的電壓、電流不等式約束可簡(jiǎn)化為電流等式約束。

2）線性勵(lì)磁電感轉(zhuǎn)矩優(yōu)化模型為優(yōu)化模型特例，具有最優(yōu)解析解，該解與最大轉(zhuǎn)矩/安培條件一致。

3）電機(jī)勵(lì)磁電感因磁場(chǎng)飽和而變?yōu)榉蔷€性，可用電動(dòng)勢(shì)及頻率二元函數(shù)進(jìn)行表達(dá)，并由電機(jī)磁路計(jì)算求得。

4）非線性勵(lì)磁電感轉(zhuǎn)矩優(yōu)化模型求解可簡(jiǎn)化為頻率范圍內(nèi)的一維搜索，可以采用基于單谷函數(shù)的搜索算法得到最優(yōu)解。

5）重載電流限制下，電機(jī)整個(gè)低速范圍內(nèi)最大轉(zhuǎn)矩優(yōu)化結(jié)果為：轉(zhuǎn)矩接近于恒值曲線，電機(jī)磁通密度嚴(yán)重飽和值并基本恒定，電壓和頻率幾乎保持線性，轉(zhuǎn)差角頻率基本不變。

6）非線性勵(lì)磁電感計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于改進(jìn)矢量控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)計(jì)算勵(lì)磁電感，優(yōu)化勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流的分配，可以有效實(shí)現(xiàn)低速重載下轉(zhuǎn)矩最大化。