電動汽車非同步電動機變頻調速方法

Tesla Roadster搭載的是一臺峰值功率225W的非同步電動機，最大輸出轉矩370Nm，最大轉矩輸出的轉速範圍在0至5400rpm之間。驚人的加速效能和傳說中優秀的控制技術，為非同步電機在電動汽車上的應用立下了一個flag。

非同步電機的基本調速方法是怎樣的呢？

1 非同步電動機工作原理

作為一篇寫調速方法的獨立文章，首先需要說清非同步電動機的工作原理在哪裡。請參閱前面兩篇文章《換個角度，幫你搞定電動汽車電機原理》和《非同步電動機起動方法，看這裡！》介紹非同步電動機工作原理的部分，本文不再贅述。

1。1非同步電機調速技術簡介

非同步電機，上一代的技術條件下，只能在工頻50Hz條件下工作，3000rpm是非同步電機的轉速上限。

在變頻調速技術出現以後，大型電機和需要精確控制的場景，非同步電機都會採用變頻調速的控制方式。電機的最高轉速脫離了工頻電源的束縛，可以做到的事情更多了。

1。2 變頻調速電機與工頻應用電機的不同之處

需要說明的是，變頻調速的非同步電機，並不單單是使用了一個變頻器作為電源，電機本身也存在著諸多的不同。

首先，絕緣效能的要求必須提高。變頻調速電機的絕緣等級基本要求是F級。採用變頻調速以後，電機機體上承受的衝擊電壓增多，電磁振盪頻繁，造成絕緣材料的老化速度加劇。必須採取更好的絕緣手段，才能確保變頻電機的效能及安全。

其次，軸電流和軸電壓，對軸承的損害嚴重。必須對軸承增加絕緣措施，或者適當接地處理，避免軸承壽命的嚴重縮減；

再次，對變頻調速電機，其散熱要求也有所提高。變頻器產生的高次諧波不可避免的傳導至電機本體，造成了多餘的發熱。

最後，在變頻調速控制下，電機轉速大大提高，這擴大了電機的施展領域，但同時也對電機的結構設計提出要求。電機軸承材質，電機本體的加工精度，都有更高的要求。

2 電動汽車的基本調速需求

2。1 最高車速

在理想的水平路面上，汽車能夠達到的最高速度，也可以區分成兩個指標考察，持續最高車速和短時最高車速。這兩個效能對應電機的額定功率和過載能力。

2。2 加速時間

包括啟動加速到既定速度的時間和超車過程中，從一個速度提高到另一個速度的時間。

啟動加速時間，對應電機的起動轉矩。

超車加速時間對應電機的特定轉速下最大轉矩。

2。3 汽車爬坡效能

這是汽車都會明確標識的一個引數，能夠爬上多大坡度的斜坡。這個效能對應的電機引數是低速下的最大轉矩。

2。4 制動效能

對於電動汽車來說，制動效能確實是一個比較特殊的指標。接受調速系統控制的電機非但能夠提供製動力，而且還會在制動過程中，秒變發電機。

汽車的制動效能有三個方面的含義，制動效能、制動能力的恆定性和制動過程汽車方向的穩定性。

制動效能，汽車以一定速度執行時，從制動這個命令下達到車輛完全停住的距離。

制動效能的恆定性，即制動力是穩定可控的，不能時大時小。

制動過程方向的穩定性，汽車不能在制動過程中發生側滑、失控或者轉向功能失靈。

在以上三個方面的制動特性上，電機只起輔助作用。主要發揮作用的是與電機地位相當，直接受控於整車控制器的制動控制系統。

2。5 汽車行駛平順性

又稱乘坐舒適性。電機本身的震動頻率和振動能量的大小，與車輛的這一效能有密切關係。具體到電機調速，只是涉及到調速過程中盡力避開電動機和整車的固有頻率，避免發生共振這個方面。

3 非同步電動機的調速理論

非同步電機的調速，調整影響電機轉速與轉矩關係的相關因素，調整後的引數組合必須是能夠獲得穩定執行狀態的，因此引數的調節範圍會受電機實際特性的約束。

某些引數的調整，可以帶來轉速轉矩的較大變化，有些雖然理論上是可以調節的，但對電機執行狀態影響不大，在實際中顯少使用，比如轉差率調節。

在電動汽車上應用的電機，需要滿足汽車動力性的要求，主要體現在電機功率效能和無級調速。

3。1 工業非同步電動機常用的調速方法

3。1。1變極調速

在定子繞組勵磁電流頻率恆定的情況下，電機的磁極對數與轉速成反比。這種改變磁極對數的手段只適用於籠型轉子，而繞組型轉子實施起來過於複雜，一般不會使用。

籠型非同步電動機，轉子鼠籠狀，是一個對稱圖形。轉子磁極對數會跟著定子磁極對數的變化而變化。

定子磁極對數，則可以透過改變繞組接線方式實現，只是出線端會變得比較複雜。

變極調速，常常被用於有級調速中，就是我們日常生活中，那些功能區分成幾檔的電氣，比如洗衣機，電風扇等。

3。1。2 變轉差率調速

非同步電機機械特性曲線

改變轉差率的手段常見有兩種：改變定子電壓和改變轉子內阻。

改變定子電壓，則勵磁磁場強度發生改變。在負載不變的情況下，轉子的轉速必須發生變化，重新找到牽引轉矩與阻力轉矩平衡的位置。最大轉差率具有跟隨電壓的提高而增大的趨勢。但變化區間有限。

改變轉子內阻，繞組型轉子才能應用的方式。當轉子內阻在一定範圍內增大，轉差率會隨之增大。串入轉子的電阻，會消耗一部分電能。

非同步電動機本身轉差率不可能太大，大約在0。01~0。06範圍內。用調節轉差率的方法調速，可調節範圍也極其有限。

3。2 變頻調速

變頻調速的三種基本方式：恆磁通下的恆轉矩調速，恆壓恆功率調速和升壓恆功率調速。

3。2。1恆磁通下的恆轉矩調速

在轉速比較低功率比較小的階段，即通常所謂基頻以下階段，採用恆轉矩調速方法。

在電機轉矩的物理表示式中，電機與總磁通量和轉子電流成正比。

總磁通量，與勵磁電壓成正比，與勵磁頻率成反比。

在變頻調速的過程中，希望維持電機磁路始終處於飽和狀態，以充分利用電機的容量。轉子電流，則隨著需求功率的不同跟隨變化。只要定子電壓和定子頻率之比維持不變，則磁通保持不變。

恆轉矩調速，又叫做恆定壓頻比調速。

壓頻比恆定，改變勵磁磁場轉速，如下圖所示。電機輸出轉速會跟隨旋轉磁場轉速的提高而提高，其基頻同時提高。但基頻對應的轉矩大小不變。

當頻率樣本足夠密集，最大轉矩點就連成了一條平行於轉速軸的直線。這就是恆轉矩控制。

3。2。2 恆壓恆功率調速

恆定壓頻比，隨著勵磁頻率的提高，電壓也逐步升高，電機整體輸出功率上升。到達電機的額定電壓後，電壓不能再繼續升高。此後的調速過程多采用恆功率調速，也叫弱磁調速。

解釋一下弱磁調速這個詞，從恆壓頻比到達電壓最高點開始，頻率繼續上升，而電壓停滯不前，這樣就使得磁路中的磁通量開始下降。這種磁通量低於飽和狀態的調速狀態，稱為弱磁控制。

轉速到達基頻後，電機達到額定功率。維持電機輸出功率不變，繼續升高轉速，測得的一系列曲線如下圖所示。隨著轉速的上升，整個特性曲線上移，最大轉矩對應的轉速也同時上移，但最大轉矩在持續縮水

組合基頻以下和基頻以上兩段特性曲線，得到變頻調速全區域的電機輸出特性曲線，如下圖所示。

3。3。3升壓恆功率調速

在3。3。2的基礎上衍生出來的一種調速方法。當實際應用環境對功率有較高的要求時，變頻器可以對恆定壓頻比階段的定子做獨立的電壓補償。從轉矩的引數公式可以知道，轉矩與定子電壓成正比。單獨的電壓補償，提升了最大轉矩。

這種補償後的測量結果組合到一起，加上3。3。2的恆功率調頻部分，得到下面的曲線。Tb為電壓補償前的最大轉矩，T1為電壓補償後的最大轉矩。同時，可以看到，恆功率區從nb擴大到了n1。

4 總結

非同步電動機的變頻調速，使得電動機在電動汽車上的應用順理成章，毫無阻礙。低轉速大轉矩，高轉速恆功率，這已經成為變頻調速的通用做法。

參考

1 電機學

2 變頻非同步電機設計及特性

3 非同步電動機變壓變頻調速系統

（圖片均來自網路）