关键词：
永磁同步电机
基频损耗
高频铁损
逆变器损耗
损耗优化控制
摘要：
“双碳”背景下节能减排理念越来越受到工业领域的重视,而电机作为最大的工业用电负荷,研究其高效控制对国家能源战略和社会经济的发展都具有重要意义。本文以PWM变频器供电永磁同步电机驱动系统为对象,构建了包含电机铜损、基频铁损、高频铁损和逆变器损耗的电机驱动系统综合损耗模型,并在此基础上对以不同损耗为优化目标的控制方法进行了分析与研究,主要工作概括如下:
在基频损耗方面,针对传统铁损等效电阻方法只适用于单一转速的问题,采用并联等效法将铁损电阻分为磁滞分量和涡流分量,并研究了基于最小二乘法的铁损等效电阻离线实验分离与辨识的方法。同时针对损耗模型易受电机参数变化影响的问题,对定子电阻、铁损电阻、永磁磁链和电机电感等模型参数进行了灵敏度分析,并根据各参数的特征提出了相应优化处理方案,最后运用交叉验证法验证了所提出基频损耗模型的准确性,最大预测误差约为5%。
在高频铁损方面,针对目前电机高频铁损建模方法复杂、无法用于优化控制的问题,提出一种基于高频电流纹波预测和实时频率分解的电机高频铁损预测模型。首先在高频电流纹波预测的基础上,筛选出直流电压、开关频率、电机转速、负载转矩和磁化电流五个控制变量,并通过实验证明电流纹波峰值和相应的高频铁损随控制变量的变化趋势相同。这样基于线性叠加的原理提出高频铁损等效电路模型,并利用高频等效电阻建立电流纹波峰值向高频铁损的映射关系。由于高频纹波电流包含丰富的频率特性,因此本文提出一种高频电流纹波实时频率分解方法,并设计相应频次高频等效电阻的辨识方法。运用交叉验证法验证了所提出高频铁损模型的准确性,最大预测误差约为10%,相比于同类型模型误差更小。
在逆变器损耗方面,提出一种基于模型系数拟合的逆变器损耗建模方法,该方法以导通电流、占空比和开关频率三个变量作为控制参数,并提出损耗模型中不同指数项与旋转坐标系下电机损耗模型的联立方法。采用蚁群算法对模型系数进行辨识,交叉验证法证明所提出损耗模型预测误差在各种工况下均在5%以下。在此基础上,本文研究了变开关频率调制策略对电机驱动系统中逆变器损耗的影响,并通过仿真和实验加以验证。
最后,在计及电机和逆变器的电机驱动系统综合损耗模型基础上,本文研究了损耗优化控制方法,并通过实验验证了优化模型的可行性。针对基频损耗模型,本文采用牛顿迭代法进行在线寻优,全工况实验验证表明此时相比最大转矩电流比算法可获得平均约1.5%、最大2.3%的效率提升。针对高频铁损模型,本文采用基于黄金分割原理的模型搜索法进行在线寻优,并在全工况下通过实验验证,此时相比未考虑高频铁损的模型,可获得平均约1%、最大1.6%的效率提升。针对计及逆变器损耗的电机驱动系统整体损耗模型,本文以控制电流与开关频率为双寻优变量进行综合寻优,在转速300rpm、负载5Nm的工况下通过实验验证,相比未考虑逆变器损耗的模型,可获得2%的效率提升。
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