从用户角度看电机和逆变器的效率测试

电驱动系统设计,不管应用领域如何,都存在三个要素:

  • 能量源,
  • 电源转换器和
  • 电机.

通常,这些元件一般采用电池作为直流母线 - 逆变器将直流电源转换为交流电 - 电能使用交流电将电能转换为机械能。这被称为 电-机械功率转换。

工程师试图实现什么?

在设计这些系统时,工程师通常会尝试在驱动周期内实现效率最大化。在尽可能多的点上来最大化每安培扭矩。有时这需要巧妙的机器设计,但更多时候需要通过采用适当的控制技术来实现。逆变器器,控制器和电机都需要完美匹配,以实现这个目标。但这些部件通常是分开开发的。系统级工程师需要最大化整个系统的效率,而不是某一部件。

如何供电?

这些应用的供电一般都是采用一个电池,但有时可能有一个整流器系统。电池系统一般都包括一个 DC-DC转换器,可将直流母线调整到逆变器所需的水平。这些电池通常为锂离子结构,在汽车应用中的电压范围为200-400伏,但可高达600-800伏特。

Mitchell Marks
Mitchell Marks, HBM eDrive 测试方案销售工程师

在本文中,Mitchell Marks 解释了逆变器和电机测试的基本原理和要求。

"电机已经有 100 年历史了,干净且可靠。现在,人类已经有能力控制他们,从潜艇到电动自行车,应用无处不在。"

Electric motor system setup
典型的电驱动系统

逆变器的角色

逆变器是电驱动系统中非常重要的部分,因为所有的电能转换和控制都在此发誓。逆变器通常由六个开关(三相)组成,以特定模式打开和关闭以产生交流电。该模式的开关频率通常在9kHz至25kHz之间。低于9kHz的频率变得非常罕见;但对于大功率应用,降低开关频率以减少损耗是必需的。更高的开关频率受限于开关的物理限制以及产生的开关损耗。通常,这些开关将为 IGBT或 MOSFET。电流电平将决定开关的选择。 MOSFET通常用于较低功率。 IGBT用于更高功率。更高的频率能进行更好的控制。但需要大量的资金投入到更宽的带隙设备中。这些通常是碳化硅或氮化镓(GAN)器件。这些器件具有较低的损耗,通常可以在较高的电流和开关频率下工作。但现在非常昂贵,但它们将是未来的主流。

Schematic drawing of power supply - inverter - motor

接管控制

控制是一个软件,控制器将查看扭矩和转速是什么,并确定开关频率,脉宽调制(PWM)方法以及如何优化效率。这些方面可以在一个周期内迅速改变。大多数类型的控制,无论电机类型如何,都是面向现场控制(FOC)。趋势是死区电流控制,采用闭环电流控制。

直接正交(dq0)变换将在控制中产生。这是一个基于系统需求的三相 PWM 可视化和控制的数学名词。它采用位置参考来简化正弦和余弦操纵,使3相更像两相。

感应电机的理解和控制数学理论的建立历经了 50 年时间。令人惊讶的是 50 年前我们就开始使用感应电机了。

模型需要验证

电驱动需要采用电脑模型进行模拟。电机和控制优化需要采用模型和有限元进行分析,模型可以非常好地预测电机和逆变器的行为,这是令人难以置信的有用工具。研究人员喜欢进行模型验证,因为它可以能够了解模型真正的运行情况。

大多数应用都具有尺寸和成本限制,这决定了电机设计甚至开始之前的许多变量。

包括拓扑结构和小细节,电机如何缠绕,以及冷却等。电机的主要类型是感应,永磁,绕线场和开关磁阻。感应电机是最容易控制的,然而,他们的缺点是现场需要激励,这会产生损失。永磁(PM)电机在一般用于更高效率且尺寸受到限制的应用中,因为它们具有较高的功率密度,因为磁体提供转子磁场而不是转子中的损耗。

PM电机在以不同模式运行时需要一个逆变器和大量的冷却和保养。但也有失去恒功率速比CPSR的缺点,因为磁场削弱比较困难。为提高机器的速度,磁场弱化是减小转子磁场的方法。可以通过注入q轴电流来削弱感应电机或PM机中的磁场。对于FOC,需要控制 d轴的量(用于控制转矩)或q轴(用于控制转子磁场)电流,这也是为何很多开发人员喜欢对dq0图实时监控的原因。另外,因为在磁场弱化期间磁体可能会被消磁,因此可能需要监视反电动势。

同步磁阻(SR)电机具有非常简单的转子。这些电机使用磁阻转矩的特性来产生旋转运动。这些电动机由于其结构简单因而应用广泛,但其噪声和振动较大。因此,在这些机器的测试中,研究人员主要感兴趣的是振动图,何种情况下扭矩和速度振动是最强的。

电机越冷,损耗较少;效率越高。

如果磁体过热,某些区域可能产生退磁,情况就会变得糟糕。因此,绕组和开关冷却非常重要。开关的损耗将会更大,如果开关太热也可能产生爆炸。研究人员花费大量计时间来探索冷却策略,使便使机器更有效率。冷却系统通常是水,油或二醇通过泵送的方式喷洒在期望除去热量的区域上。

因此,电机温度监控也是运行和测试的重要组成部分。通过热电偶,可以监控并记录,并发送到控制系统中。在其中同步是非常重要的,只有这样才能知道温度变化是在何时以及何处发生,以对其进行控制。这也是模型验证的另一个领域。

提高效率

上述许多主题的最佳方法是进行效率测绘和动力测试。每个人都希望提高系统的效率。因此拥有原始数据对此很重要,因为如果发生错误,您可以参考以前的测试,并在后处理程序(如MATLAB)中进行深入分析。此外,这对于动态测试至关重要,因为在进行动态加载或测试驱动周期时,如果没有原始数据,则可能会产生一些奇怪的不准确的效率。

当它们开始测试时,它们将具有一个设定的直流母线电压,然后是设定的速度。

然后他们将以一定的扭矩加载。加载你所需的多种转矩和速度。这将为您提供所有工况点的效率,并获得效率图。这些点将在特定温度范围内进行。有时您必须等待机器冷却才能在工况点进行测量。这就是 HBM eDrive 测试系统 可以为客户节省大量时间的原因,因为测试在几个周期内进行测试,而不是几秒钟。

人们通常会测试机器的极限,一般是使其达到最大速度,以了解其机器的物理极限。触发并拥有数据缓冲区的能力将使研究人员不仅可以了解机器故障,而且可以了解失败的原因。

eDrive 测试白皮书

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