李冠難，劉景林，王帥夫
(西北T業(yè)大學(xué)，陜西兩安710072)
摘要：針對無刷直流電動機(jī)弱磁高速運(yùn)行時損耗大的問題，研究最小損耗電流控制。通過分析基于瞬時無功功率的無刷直流電動機(jī)弱磁控制理論，計算d-q軸電杻反應(yīng)電感，提出一種考慮鐵損的電機(jī)r型近似等效電路，結(jié)合狀態(tài)方程，推導(dǎo)出滿足電磁損耗最小的勵磁電流表達(dá)式。仿真和實驗結(jié)果表明，在整個弱磁運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，最小損耗電流控制能夠降低電機(jī)電磁損耗，提高電機(jī)運(yùn)行效率，擴(kuò)大電機(jī)匣功率調(diào)速范圍。
關(guān)鍵字：無刷直流電動機(jī)；效率優(yōu)化；電磁損耗；弱磁
0引 言
永磁無刷直流電動機(jī)的優(yōu)點是效率高，起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單牢固，免維護(hù)或少維護(hù)，體積小，質(zhì)量輕；缺點是低速時轉(zhuǎn)矩脈動大，基速以上調(diào)速比小[1]。為了擴(kuò)大電機(jī)的調(diào)速范圍，可以采用弱磁控制的方法，但永磁電機(jī)弱磁無法通過調(diào)節(jié)勵磁實現(xiàn)，只能控制電樞反應(yīng)使之產(chǎn)生一個反向的電樞磁場來抵消永磁磁場，獲得等效弱磁，這需要從電機(jī)本體設(shè)計及電機(jī)控制兩個方面著手，因此通常無刷直流電動機(jī)調(diào)速范圍較窄。文獻(xiàn)[2]基于虛擬瞬時功率，在分析電機(jī)定子電流和****轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上提出了一種實現(xiàn)無刷直流電動機(jī)弱磁控制的算法，這種方法的優(yōu)點在于可以在不改動電機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，避免復(fù)雜的磁場計算，通過軟件沒計來獲得比較好的弱磁擴(kuò)速效果。無刷直流電動機(jī)在額定負(fù)載、額定轉(zhuǎn)速區(qū)域的運(yùn)行效率是很高的，弱磁高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，由于電機(jī)電感相對較小，容易產(chǎn)生很大的峰值電流，此時大量能量消耗在鐵損和銅損上[5]。本文從****效率出發(fā)，采用d—q坐標(biāo)變換，建立損耗和控制量的關(guān)系，通過等效勵磁電流的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電機(jī)電磁損耗最小，保證電機(jī)在較寬的弱磁調(diào)速范圍內(nèi)高效運(yùn)行。
1無刷直流電動機(jī)弱磁調(diào)速數(shù)學(xué)模型
為了擴(kuò)大永磁電動機(jī)的弱磁調(diào)速范圍，國內(nèi)外不少學(xué)者做過大量研究.在定子繞組上串聯(lián)電感，但會使電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩范圍變窄，效率降低；從改變轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)人手，使用永磁轉(zhuǎn)子和磁阻轉(zhuǎn)子的復(fù)合永磁轉(zhuǎn)子“弱磁”方案，也可取得一定的“弱磁”效果，但這種方法使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度變低，高速時鐵磁損耗很大。
三相電路瞬時無功功率理論打破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時有功功率、瞬時無功功率等瞬時功率量。假設(shè)三相電路的瞬時電壓和瞬時電流分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic，考慮到電機(jī)定子三相繞組在結(jié)構(gòu)上的對稱性，可以忽略電壓和電流中的零序分量。將它們分別變換到兩相正交的d-q坐標(biāo)系上，可得兩相瞬時電壓ed、eq和兩相瞬時電流id、iq如下：
2最小損耗弱磁運(yùn)行的效率優(yōu)化控制策略
忽略電機(jī)漏抗，考慮定子鐵損無阻尼繞組，在無刷直流電動機(jī)弱磁擴(kuò)速d—q坐標(biāo)系中，T型等效電路能準(zhǔn)確地反映弱磁運(yùn)行時的物理狀況，但它含有串聯(lián)、并聯(lián)支路，運(yùn)算較為復(fù)雜，采用圖1的r型等效電路，只有勵磁支路和負(fù)載支路兩并聯(lián)支路，計算簡化很多，高速運(yùn)行時兩種算法誤差極小[4]。
機(jī)等效銅損及鐵損電阻；isd、imd、icd分別為d軸電樞電流、勵磁電流及鐵損電流；isd、imd、icd分別為g軸電樞電流、轉(zhuǎn)矩電流及鐵損電流；ψm為永磁體磁鏈；ω為電機(jī)電角速度。
由式(15)可知，iod<0，強(qiáng)化了弱磁特性。同時，當(dāng)電機(jī)參數(shù)確定時，iod<0隨著m的降低而迅速減小，恒轉(zhuǎn)矩基速運(yùn)行時，iod→O，不需補(bǔ)償電流。恒功率****速度時得到理論上允許的****等效勵磁電
對比式(17)與式(18)可知，ife
3仿真及實驗
實驗樣機(jī)參數(shù)：額定功率P=1 200 w；額定轉(zhuǎn)矩Ta=2．4 N.m；額定轉(zhuǎn)速n=6 000 r／min；每相繞組電阻r=O.066Ω；每相繞組有效電感l(wèi)=30 mH；轉(zhuǎn)動慣量，=4．67×10 kg . m2；電動勢系數(shù)Ke=O.012 5 V／(rad·s-1)；供電電壓27 V。
在當(dāng)t=2 s、n=9 600r／min時，保持電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)機(jī)械輸出功率不變，電機(jī)從普通弱磁控制切換至最小損耗弱磁控制，仿真結(jié)果如圖2所示，可以看出，通過等效勵磁電流的調(diào)節(jié)，電機(jī)效率從83％提高到86％左右。
保持，=1 5 N·m不變，圖3、圖4分別為普通弱磁和最小損耗弱磁控制實測電壓及電流波形圖。
與普通弱磁控制相比，由于增加了等效勵磁調(diào)節(jié)電流，最小損耗弱磁控制的母線電流平均值略有增長，但電機(jī)轉(zhuǎn)速由9 500r／min升至9 980 r／min，同時由于損耗降低，電流和電壓波形曲線較為平滑，毛刺減少，電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。
圖5為電機(jī)擴(kuò)速范圍從6 000 r／min到1100Or／min時，兩種弱磁控制方法下電機(jī)效率與電磁損耗變化曲線。與普通弱磁控制相比，采用最小損耗弱磁擴(kuò)速雖然Pcn相對增加，但是Pfe和電機(jī)總電磁損耗Ploss最均有明顯的減少．系統(tǒng)效率有r明顯的提高，調(diào)速范圍越寬效率改善越為明顯。
圖6為兩種弱磁控制方式下恒功率擴(kuò)速的實驗曲線。從圖中分析得出，普通弱磁擴(kuò)速調(diào)速比為1．8，而最小損耗弱磁擴(kuò)速恒功率調(diào)速比達(dá)到2．3。
4結(jié)語
根據(jù)無刷直流電動機(jī)基于瞬時無功功率弱磁擴(kuò)速的模型，建立其電磁損耗(鐵耗和銅耗之和)與等效勵磁電流的關(guān)系，推導(dǎo)出電機(jī)運(yùn)行效率****的最小損耗等效勵磁電流控制方案。此控制方案在弱磁寬調(diào)速范圍內(nèi)和輕負(fù)載情況F能使系統(tǒng)的電磁損耗達(dá)到****，從而提高電機(jī)的運(yùn)行效率。仿真和實驗結(jié)果表明，在整個弱磁運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，最小損耗電流控制能夠降低總的電磁損耗，提高電機(jī)運(yùn)行效率，實現(xiàn)無刷直流電動機(jī)恒功率寬范圍調(diào)速。
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