直流母線電壓對永磁同步電機效率的影響

黃 維,王任之,楊永鳳,楊 燕,王定海

(柳州賽克科技發展有限公司,柳州 545005)

0 引 言

永磁同步電機(以下簡稱PMSM)是一種利用永磁體提供勵磁的同步電機,具有結構簡單、體積小、質量輕、運行可靠、效率高、功率密度高、調速范圍大等優點,在新能源汽車等領域得到廣泛應用。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致電壓波動較大,為了使電機在不同電壓平臺下平穩運行,在對電機進行性能測試時,一般都會測試不同母線電壓下的電機運行狀況。本文通過對一臺PMSM在不同母線電壓下的效率進行測試,根據測試結果分析總結了母線電壓對電機效率的影響規律,并通過繪制電機效率MAP圖,清晰地展示了不同母線電壓對PMSM效率的影響特點。

1 電機損耗分析

電機在運行過程中產生的損耗主要有鐵心損耗、定子銅耗、機械損耗和雜散損耗,本節主要分析這4種損耗與母線電壓的關系,為后續的效率測試和分析提供理論基礎。

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。目前常用的鐵耗計算模型是由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式:

(2)

式中:kh,α為磁滯損耗系數,常取α為1.6～2.2;kc,ka分別為渦流損耗系數、異常損耗系數;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。

在電機運行中,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,即當母線電壓升高時,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,當母線電壓升高時,d,q軸電流也必定增加。根據法拉第電磁感應定律,電流增大,電磁系統中產生的磁場也會增大,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子速度成正比,定子鐵心損耗會隨轉子速度線性增加,但與電壓無關。

此外,鐵心損耗還與電機負載相關,隨著負載的降低,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,該電阻產生的損耗則為銅耗,它與定子電阻及電流的關系[3]:

pCu=mI2R

(3)

式中:m為電機相數;I為定子繞組相電流;R為定子繞組相電阻。

低轉速階段,電機進入弱磁控制前,控制邏輯軟件采用固定的MTPA(最大轉矩電流比)查找表,定子電流由輸出扭矩決定,當扭矩請求一致,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,但根據相同扭矩所查找的對應電流值一致,定子銅耗也基本一致;而在高轉速階段,母線電壓越低,電機越早進入弱磁區域,相同轉速、相同轉矩下所需的定子電流越大,則銅耗也越大。

1.3 機械損耗(pf)

電機機械損耗由風摩損耗和摩擦損耗組成,是不可避免的一種損耗。降低機械損耗一般采用提高風扇性能、選取摩擦系數小的新型材料或優化結構的方式。機械損耗會隨電機轉速增大而增大,與母線電壓無關。

1.4 雜散損耗(ps)

對于PMSM中的雜散損耗,當前還沒有精確的計算方式,通常采用如下經驗公式計算:

(4)

式中:I為定子相電流;IN為電機額定相電流;pSN為電機輸出額定功率時的雜散損耗。

雜散損耗與定子銅耗一樣,都是與定子電流成正相關,其影響規律也一致。即在低轉速階段,雜散損耗不受母線電壓的影響;在高轉速階段,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效率的影響最為顯著,電機效率主要是由鐵心損耗和定子銅耗的變化規律和兩者之間所占的比例決定;但雜散損耗對電機效率的影響也不可忽視[2];機械損耗與母線電壓無關,本文不展開討論。

2 母線電壓與轉折速度的關系

目前,車用PMSM大多采用矢量控制,矢量控制實際上是對電機定子電流矢量is相位和幅值的控制,由于受逆變器容量、逆變器直流側電壓以及電機本身所能承受的最大電流限制,電機運行過程中,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一定要同時落在電流極限圓和電壓極限橢圓內,電壓極限橢圓是隨著轉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為定子電流轉矩分量;ψf為電機轉子磁鏈;Ulim為相電壓極限值;ωr為電機轉折轉速。

采用SVPWM調制時,直流母線電壓UDC與相電壓極限值Ulim的關系:

(6)

由式(5)和式(6)可以得到電機轉折轉速ωr與直流母線電壓UDC的關系:

(7)

由式(7)可以看出,轉折速度與母線電壓成正相關,直流母線電壓越高,轉折速度越高,則電機運行于MTPA的區域也越大。因此,在高轉速區域,相同工況下(相同轉速、相同扭矩),母線電壓越高,所需的定子電流越小,則與電流相關的損耗也越小。

3 考慮電機損耗的電機效率計算分析

本節建立了電機效率、電機輸入功率和輸出功率與電機損耗之間的關系表達式,直觀地展示了損耗與電機效率之間的關系。

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

(8)

式中:ηm為電機效率;Pmo為電機輸出功率;Pmi為電機輸入功率。

當電機處于電動狀態時,輸入功率為電機控制器輸出的交流功率,輸出功率為電機軸端的機械功率,考慮電機損耗,則有:

Pmi=Pmo+pFe+pCu+pf+ps

(9)

將式(9)代入式(8)可以得到電機效率與各損耗之間的關系:

(10)

由式(10)可以看出,電機效率的高低取決于電機運行時所產生的損耗大小,損耗越大,效率就越低。

4 實驗測試

本文通過對一臺額定電壓為350 V的PMSM進行4個電壓下的效率測試,以電動狀態為例,從電機損耗角度探討母線電壓對PMSM效率的影響。電機基本參數如表1所示。

表1 電機基本參數

測試的4個電壓點分別為260 V、350 V、380 V和420 V,按照GB/T 18488.2—2015的規則,對測試數據進行統計整理,得到電機高效工作區占比,如表2所示。

表2 高效工作區占比

根據測試數據,分別繪制4個電壓點下的電機效率MAP如圖1～圖4所示。

圖1 260 V正向電動電機效率

圖2 350 V正向電動電機效率

圖3 380 V正向電動電機效率

圖4 420 V正向電動電機效率

從表2及圖1～圖4可以看出:

(1)電機效率的高效區占比隨母線電壓的升高而增大。這是因為隨著母線電壓的升高,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,電機效率升高。

(2)電機高效區隨母線電壓的升高而向高速高轉矩方向移動。這是因為在低速低轉矩階段,定子銅耗和雜散損耗與母線電壓無關,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;隨著轉速扭矩的上升,母線電壓越低,轉折速度越低,電機越早進入弱磁區域,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,電機高效區向高速高轉矩方向移動。

5 結 語

本文從理論分析和實驗測試兩方面探討了直流母線電壓對PMSM效率的影響規律,并對一臺PMSM在不同母線電壓下的電機效率進行了測試和分析,主要發現如下:

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

(2)電機效率的高低取決于電機運行時所產生的損耗大小,損耗越大,效率越低。

(3)通過對一臺額定電壓為350 V的PMSM進行4個電壓下的正向電動效率測試,結果發現,電機效率的高效區占比隨母線電壓的升高而增大,且向高速高轉矩方向移動。

在電機設計過程中,需十分關注鐵耗和銅耗的比例分配。本文討論了鐵耗和銅耗對電機效率的影響,選擇合適的鐵心材料、優化磁路設計、調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線材料、優化繞組設計并控制負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,在電機設計的過程中需要系統地分析和優化,以找到合適的鐵耗和銅耗的比例分配,從而實現電機效率的最大化。此外,直流母線電壓對電機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能保持高效的運行,這對于電機的控制策略和設計都提出了更高的要求。