变频异步电机振动大

Tesla Roadster搭载的是一台峰值功率225W的异步电动机，最大输出转矩370Nm，最大转矩输出的转速范围在0至5400rpm之间。惊人的加速性能和传说中优秀的控制技术，为异步电机在电动汽车上的应用立下了一个flag。

异步电机的基本调速方法是怎样的呢？

1 异步电动机工作原理

作为一篇写调速方法的独立文章，首先需要说清异步电动机的工作原理在哪里。请参阅前面两篇文章《换个角度，帮你搞定电动汽车电机原理》和《异步电动机起动方法，看这里！》介绍异步电动机工作原理的部分，本文不再赘述。

1.1异步电机调速技术简介

异步电机，上一代的技术条件下，只能在工频50Hz条件下工作，3000rpm是异步电机的转速上限。

在变频调速技术出现以后，大型电机和需要精确控制的场景，异步电机都会采用变频调速的控制方式。电机的最高转速脱离了工频电源的束缚，可以做到的事情更多了。

1.2 变频调速电机与工频应用电机的不同之处

需要说明的是，变频调速的异步电机，并不单单是使用了一个变频器作为电源，电机本身也存在着诸多的不同。

首先，绝缘性能的要求必须提高。变频调速电机的绝缘等级基本要求是F级。采用变频调速以后，电机机体上承受的冲击电压增多，电磁振荡频繁，造成绝缘材料的老化速度加剧。必须采取更好的绝缘手段，才能确保变频电机的性能及安全。

其次，轴电流和轴电压，对轴承的损害严重。必须对轴承增加绝缘措施，或者适当接地处理，避免轴承寿命的严重缩减；

再次，对变频调速电机，其散热要求也有所提高。变频器产生的高次谐波不可避免的传导至电机本体，造成了多余的发热。

最后，在变频调速控制下，电机转速大大提高，这扩大了电机的施展领域，但同时也对电机的结构设计提出要求。电机轴承材质，电机本体的加工精度，都有更高的要求。

2 电动汽车的基本调速需求

2.1 最高车速

变频异步电机振动大

在理想的水平路面上，汽车能够达到的最高速度，也可以区分成两个指标考察，持续最高车速和短时最高车速。这两个性能对应电机的额定功率和过载能力。

2.2 加速时间

包括启动加速到既定速度的时间和超车过程中，从一个速度提高到另一个速度的时间。

启动加速时间，对应电机的起动转矩。

超车加速时间对应电机的特定转速下最大转矩。

2.3 汽车爬坡性能

这是汽车都会明确标识的一个参数，能够爬上多大坡度的斜坡。这个性能对应的电机参数是低速下的最大转矩。

2.4 制动性能

对于电动汽车来说，制动性能确实是一个比较特殊的指标。接受调速系统控制的电机非但能够提供制动力，而且还会在制动过程中，秒变发电机。

汽车的制动性能有三个方面的含义，制动效能、制动能力的恒定性和制动过程汽车方向的稳定性。

制动效能，汽车以一定速度运行时，从制动这个命令下达到车辆完全停住的距离。

制动效能的恒定性，即制动力是稳定可控的，不能时大时小。

制动过程方向的稳定性，汽车不能在制动过程中发生侧滑、失控或者转向功能失灵。

在以上三个方面的制动特性上，电机只起辅助作用。主要发挥作用的是与电机地位相当，直接受控于整车控制器的制动控制系统。

2.5 汽车行驶平顺性

又称乘坐舒适性。电机本身的震动频率和振动能量的大小，与车辆的这一性能有密切关系。具体到电机调速，只是涉及到调速过程中尽力避开电动机和整车的固有频率，避免发生共振这个方面。

3 异步电动机的调速理论

异步电机的调速，调整影响电机转速与转矩关系的相关因素，调整后的参数组合必须是能够获得稳定运行状态的，因此参数的调节范围会受电机实际特性的约束。

某些参数的调整，可以带来转速转矩的较大变化，有些虽然理论上是可以调节的，但对电机运行状态影响不大，在实际中显少使用，比如转差率调节。

在电动汽车上应用的电机，需要满足汽车动力性的要求，主要体现在电机功率性能和无级调速。

3.1 工业异步电动机常用的调速方法

3.1.1变极调速

在定子绕组励磁电流频率恒定的情况下，电机的磁极对数与转速成反比。这种改变磁极对数的手段只适用于笼型转子，而绕组型转子实施起来过于复杂，一般不会使用。

笼型异步电动机，转子鼠笼状，是一个对称图形。转子磁极对数会跟着定子磁极对数的变化而变化。

定子磁极对数，则可以通过改变绕组接线方式实现，只是出线端会变得比较复杂。

变极调速，常常被用于有级调速中，就是我们日常生活中，那些功能区分成几档的电气，比如洗衣机，电风扇等。

3.1.2 变转差率调速

异步电机机械特性曲线

改变转差率的手段常见有两种：改变定子电压和改变转子内阻。

改变定子电压，则励磁磁场强度发生改变。在负载不变的情况下，转子的转速必须发生变化，重新找到牵引转矩与阻力转矩平衡的位置。最大转差率具有跟随电压的提高而增大的趋势。但变化区间有限。

改变转子内阻，绕组型转子才能应用的方式。当转子内阻在一定范围内增大，转差率会随之增大。串入转子的电阻，会消耗一部分电能。

异步电动机本身转差率不可能太大，大约在0.01~0.06范围内。用调节转差率的方法调速，可调节范围也极其有限。

3.2 变频调速

变频调速的三种基本方式：恒磁通下的恒转矩调速，恒压恒功率调速和升压恒功率调速。

3.2.1恒磁通下的恒转矩调速

在转速比较低功率比较小的阶段，即通常所谓基频以下阶段，采用恒转矩调速方法。

在电机转矩的物理表达式中，电机与总磁通量和转子电流成正比。

总磁通量，与励磁电压成正比，与励磁频率成反比。

在变频调速的过程中，希望维持电机磁路始终处于饱和状态，以充分利用电机的容量。转子电流，则随着需求功率的不同跟随变化。只要定子电压和定子频率之比维持不变，则磁通保持不变。

恒转矩调速，又叫做恒定压频比调速。

压频比恒定，改变励磁磁场转速，如下图所示。电机输出转速会跟随旋转磁场转速的提高而提高，其基频同时提高。但基频对应的转矩大小不变。

当频率样本足够密集，最大转矩点就连成了一条平行于转速轴的直线。这就是恒转矩控制。

3.2.2 恒压恒功率调速

恒定压频比，随着励磁频率的提高，电压也逐步升高，电机整体输出功率上升。到达电机的额定电压后，电压不能再继续升高。此后的调速过程多采用恒功率调速，也叫弱磁调速。

解释一下弱磁调速这个词，从恒压频比到达电压最高点开始，频率继续上升，而电压停滞不前，这样就使得磁路中的磁通量开始下降。这种磁通量低于饱和状态的调速状态，称为弱磁控制。

转速到达基频后，电机达到额定功率。维持电机输出功率不变，继续升高转速，测得的一系列曲线如下图所示。随着转速的上升，整个特性曲线上移，最大转矩对应的转速也同时上移，但最大转矩在持续缩水

组合基频以下和基频以上两段特性曲线，得到变频调速全区域的电机输出特性曲线，如下图所示。

3.3.3升压恒功率调速

在3.3.2的基础上衍生出来的一种调速方法。当实际应用环境对功率有较高的要求时，变频器可以对恒定压频比阶段的定子做独立的电压补偿。从转矩的参数公式可以知道，转矩与定子电压成正比。单独的电压补偿，提升了最大转矩。

这种补偿后的测量结果组合到一起，加上3.3.2的恒功率调频部分，得到下面的曲线。Tb为电压补偿前的最大转矩，T1为电压补偿后的最大转矩。同时，可以看到，恒功率区从nb扩大到了n1。

4 总结

异步电动机的变频调速，使得电动机在电动汽车上的应用顺理成章，毫无阻碍。低转速大转矩，高转速恒功率，这已经成为变频调速的通用做法。

变频异步电机振动大

参考

1 电机学

2 变频异步电机设计及特性

3 异步电动机变压变频调速系统

（图片均来自网络