直流母線電壓對永磁同步電機(jī)效率的影響

黃 維,王任之,楊永鳳,楊 燕,王定海

(柳州賽克科技發(fā)展有限公司,柳州 545005)

0 引 言

永磁同步電機(jī)(以下簡稱PMSM)是一種利用永磁體提供勵磁的同步電機(jī),具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行可靠、效率高、功率密度高、調(diào)速范圍大等優(yōu)點(diǎn),在新能源汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。純電動新能源汽車的動力大多來源于動力電池,而電池在充放電過程中會導(dǎo)致電壓波動較大,為了使電機(jī)在不同電壓平臺下平穩(wěn)運(yùn)行,在對電機(jī)進(jìn)行性能測試時(shí),一般都會測試不同母線電壓下的電機(jī)運(yùn)行狀況。本文通過對一臺PMSM在不同母線電壓下的效率進(jìn)行測試,根據(jù)測試結(jié)果分析總結(jié)了母線電壓對電機(jī)效率的影響規(guī)律,并通過繪制電機(jī)效率MAP圖,清晰地展示了不同母線電壓對PMSM效率的影響特點(diǎn)。

1 電機(jī)損耗分析

電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的損耗主要有鐵心損耗、定子銅耗、機(jī)械損耗和雜散損耗,本節(jié)主要分析這4種損耗與母線電壓的關(guān)系,為后續(xù)的效率測試和分析提供理論基礎(chǔ)。

1.1 鐵心損耗(pFe)

鐵耗大小與制造材料、加工工藝、磁通密度和磁通變化的頻率等密切相關(guān)。目前常用的鐵耗計(jì)算模型是由Bertotti提出的包含磁滯損耗、渦流損耗及異常損耗三項(xiàng)組成的鐵心損耗模型[1]:

pFe=ph+pc+pa

(1)

式中:pFe為鐵心損耗;ph,pc,pa分別為磁滯損耗,渦流損耗和異常損耗。以上損耗分量的表達(dá)式:

(2)

式中:kh,α為磁滯損耗系數(shù),常取α為1.6～2.2;kc,ka分別為渦流損耗系數(shù)、異常損耗系數(shù);Bm為磁通密度幅值;f為磁場交變頻率。

鐵心損耗主要由磁通密度的幅值和磁場變化的頻率決定。

在電機(jī)運(yùn)行中,定子電壓的大小對鐵心的磁通密度有顯著影響。母線電壓升高意味著逆變器可以輸出更大的定子電壓,定子電壓與d軸和q軸電壓的平方和正相關(guān),即當(dāng)母線電壓升高時(shí),d,q軸電壓也必定增加,才能保持電壓平衡。d,q軸電壓又與d,q軸電流成正比,當(dāng)母線電壓升高時(shí),d,q軸電流也必定增加。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,電流增大,電磁系統(tǒng)中產(chǎn)生的磁場也會增大,因此鐵心的磁通密度增加。鐵心的磁通密度會隨著母線電壓的升高而增加,從而導(dǎo)致鐵心損耗隨著母線電壓的升高而增大。

磁場變化的頻率與轉(zhuǎn)子速度成正比,定子鐵心損耗會隨轉(zhuǎn)子速度線性增加,但與電壓無關(guān)。

此外,鐵心損耗還與電機(jī)負(fù)載相關(guān),隨著負(fù)載的降低,定子鐵耗占總損耗的比例逐漸增加[2]。

1.2 定子銅耗(pCu)

PMSM定子繞組會有一定的電阻,該電阻產(chǎn)生的損耗則為銅耗,它與定子電阻及電流的關(guān)系[3]:

pCu=mI2R

(3)

式中:m為電機(jī)相數(shù);I為定子繞組相電流;R為定子繞組相電阻。

低轉(zhuǎn)速階段,電機(jī)進(jìn)入弱磁控制前,控制邏輯軟件采用固定的MTPA(最大轉(zhuǎn)矩電流比)查找表,定子電流由輸出扭矩決定,當(dāng)扭矩請求一致,定子電流大小基本一致,故定子銅耗也一致。因此在低速階段,即使母線電壓改變,影響磁密,但根據(jù)相同扭矩所查找的對應(yīng)電流值一致,定子銅耗也基本一致;而在高轉(zhuǎn)速階段,母線電壓越低,電機(jī)越早進(jìn)入弱磁區(qū)域,相同轉(zhuǎn)速、相同轉(zhuǎn)矩下所需的定子電流越大,則銅耗也越大。

1.3 機(jī)械損耗(pf)

電機(jī)機(jī)械損耗由風(fēng)摩損耗和摩擦損耗組成,是不可避免的一種損耗。降低機(jī)械損耗一般采用提高風(fēng)扇性能、選取摩擦系數(shù)小的新型材料或優(yōu)化結(jié)構(gòu)的方式。機(jī)械損耗會隨電機(jī)轉(zhuǎn)速增大而增大,與母線電壓無關(guān)。

1.4 雜散損耗(ps)

對于PMSM中的雜散損耗,當(dāng)前還沒有精確的計(jì)算方式,通常采用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

(4)

式中:I為定子相電流;IN為電機(jī)額定相電流;pSN為電機(jī)輸出額定功率時(shí)的雜散損耗。

雜散損耗與定子銅耗一樣,都是與定子電流成正相關(guān),其影響規(guī)律也一致。即在低轉(zhuǎn)速階段,雜散損耗不受母線電壓的影響;在高轉(zhuǎn)速階段,母線電壓越大,雜散損耗越小。

以上4種損耗中,鐵心損耗和定子銅耗對電機(jī)效率的影響最為顯著,電機(jī)效率主要是由鐵心損耗和定子銅耗的變化規(guī)律和兩者之間所占的比例決定;但雜散損耗對電機(jī)效率的影響也不可忽視[2];機(jī)械損耗與母線電壓無關(guān),本文不展開討論。

2 母線電壓與轉(zhuǎn)折速度的關(guān)系

目前,車用PMSM大多采用矢量控制,矢量控制實(shí)際上是對電機(jī)定子電流矢量is相位和幅值的控制,由于受逆變器容量、逆變器直流側(cè)電壓以及電機(jī)本身所能承受的最大電流限制,電機(jī)運(yùn)行過程中,定子電流矢量is既要滿足電流極限約束方程,又要滿足電壓極限約束方程,所以定子電流矢量is一定要同時(shí)落在電流極限圓和電壓極限橢圓內(nèi),電壓極限橢圓是隨著轉(zhuǎn)速增大而逐漸縮小的一簇橢圓,電壓橢圓公式如下:

(5)

式中:Ld為d軸電感;Lq為q軸電感;id為定子電流勵磁分量;iq為定子電流轉(zhuǎn)矩分量;ψf為電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈;Ulim為相電壓極限值;ωr為電機(jī)轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速。

采用SVPWM調(diào)制時(shí),直流母線電壓UDC與相電壓極限值Ulim的關(guān)系:

(6)

由式(5)和式(6)可以得到電機(jī)轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)速ωr與直流母線電壓UDC的關(guān)系:

(7)

由式(7)可以看出,轉(zhuǎn)折速度與母線電壓成正相關(guān),直流母線電壓越高,轉(zhuǎn)折速度越高,則電機(jī)運(yùn)行于MTPA的區(qū)域也越大。因此,在高轉(zhuǎn)速區(qū)域,相同工況下(相同轉(zhuǎn)速、相同扭矩),母線電壓越高,所需的定子電流越小,則與電流相關(guān)的損耗也越小。

3 考慮電機(jī)損耗的電機(jī)效率計(jì)算分析

本節(jié)建立了電機(jī)效率、電機(jī)輸入功率和輸出功率與電機(jī)損耗之間的關(guān)系表達(dá)式,直觀地展示了損耗與電機(jī)效率之間的關(guān)系。

參照GB/T 18488.2—2015,電機(jī)效率由電機(jī)輸入功率和輸出功率的比值確定:

(8)

式中:ηm為電機(jī)效率;Pmo為電機(jī)輸出功率;Pmi為電機(jī)輸入功率。

當(dāng)電機(jī)處于電動狀態(tài)時(shí),輸入功率為電機(jī)控制器輸出的交流功率,輸出功率為電機(jī)軸端的機(jī)械功率,考慮電機(jī)損耗,則有:

Pmi=Pmo+pFe+pCu+pf+ps

(9)

將式(9)代入式(8)可以得到電機(jī)效率與各損耗之間的關(guān)系:

(10)

由式(10)可以看出,電機(jī)效率的高低取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的損耗大小,損耗越大,效率就越低。

4 實(shí)驗(yàn)測試

本文通過對一臺額定電壓為350 V的PMSM進(jìn)行4個(gè)電壓下的效率測試,以電動狀態(tài)為例,從電機(jī)損耗角度探討母線電壓對PMSM效率的影響。電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)基本參數(shù)

測試的4個(gè)電壓點(diǎn)分別為260 V、350 V、380 V和420 V,按照GB/T 18488.2—2015的規(guī)則,對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理,得到電機(jī)高效工作區(qū)占比,如表2所示。

表2 高效工作區(qū)占比

根據(jù)測試數(shù)據(jù),分別繪制4個(gè)電壓點(diǎn)下的電機(jī)效率MAP如圖1～圖4所示。

圖1 260 V正向電動電機(jī)效率

圖2 350 V正向電動電機(jī)效率

圖3 380 V正向電動電機(jī)效率

圖4 420 V正向電動電機(jī)效率

從表2及圖1～圖4可以看出:

(1)電機(jī)效率的高效區(qū)占比隨母線電壓的升高而增大。這是因?yàn)殡S著母線電壓的升高,定子銅耗和雜散損耗減小,鐵耗雖然隨著母線電壓的升高而升高,但隨著負(fù)載的增大,鐵耗占總損耗的比例逐漸減小,故鐵耗增大的比例小于銅耗和雜散損耗減小的比例,所以,隨著母線電壓的升高,電機(jī)效率升高。

(2)電機(jī)高效區(qū)隨母線電壓的升高而向高速高轉(zhuǎn)矩方向移動。這是因?yàn)樵诘退俚娃D(zhuǎn)矩階段,定子銅耗和雜散損耗與母線電壓無關(guān),鐵耗隨母線電壓的降低而減小,且鐵耗占總損耗的比例較大,母線電壓越低,效率越高;隨著轉(zhuǎn)速扭矩的上升,母線電壓越低,轉(zhuǎn)折速度越低,電機(jī)越早進(jìn)入弱磁區(qū)域,相同工況下所需的定子電流越大,定子銅耗和雜散損耗也越大,且隨著負(fù)載的增大,定子鐵耗占總損耗的比例逐漸減小,銅耗和雜散損耗所占的比例逐漸增大,所以,在高速高扭階段,母線電壓越大,效率越高,電機(jī)高效區(qū)向高速高轉(zhuǎn)矩方向移動。

5 結(jié) 語

本文從理論分析和實(shí)驗(yàn)測試兩方面探討了直流母線電壓對PMSM效率的影響規(guī)律,并對一臺PMSM在不同母線電壓下的電機(jī)效率進(jìn)行了測試和分析,主要發(fā)現(xiàn)如下:

(1)定子電壓升高,鐵心損耗增大,且隨著負(fù)載的增大,定子鐵耗占總損耗的比例逐漸減小;在低轉(zhuǎn)速階段,定子銅耗和雜散損耗不受母線電壓的影響,在高轉(zhuǎn)速階段,母線電壓越大,銅耗和雜散損耗越小。

(2)電機(jī)效率的高低取決于電機(jī)運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的損耗大小,損耗越大,效率越低。

(3)通過對一臺額定電壓為350 V的PMSM進(jìn)行4個(gè)電壓下的正向電動效率測試,結(jié)果發(fā)現(xiàn),電機(jī)效率的高效區(qū)占比隨母線電壓的升高而增大,且向高速高轉(zhuǎn)矩方向移動。

在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中,需十分關(guān)注鐵耗和銅耗的比例分配。本文討論了鐵耗和銅耗對電機(jī)效率的影響,選擇合適的鐵心材料、優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)、調(diào)整磁場交變頻率等均可有效降低鐵耗;對于銅損,可以通過選用電阻更低的導(dǎo)線材料、優(yōu)化繞組設(shè)計(jì)并控制負(fù)載和電流來降低損耗。然而,需要注意的是,鐵耗和銅耗之間存在一種復(fù)雜的平衡,過度減少任一方的損耗都可能會增加另一方的損耗,因此,在電機(jī)設(shè)計(jì)的過程中需要系統(tǒng)地分析和優(yōu)化,以找到合適的鐵耗和銅耗的比例分配,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)效率的最大化。此外,直流母線電壓對電機(jī)效率的影響也不容忽視,在不同的母線電壓下都需要確保電機(jī)能保持高效的運(yùn)行,這對于電機(jī)的控制策略和設(shè)計(jì)都提出了更高的要求。