最大效率控制策略优化

MTPA控制策略使单位转矩需要的电流达到最小，从而使得系统的铜损最低，但系统效率并非最优，因为MTPA控制策略没有考虑电机铁损的影响。在实际应用中，特别是空调系统及家用电器中，关心的是系统的最终效率，最大效率控制技术可以使电机系统在整个运行范围内，在每一个工作点的电机系统效率都能达到最大效率。最大效率控制策略还可以提高系统的效率、热稳定性和可靠性。图5-11所示为永磁辅助同步磁阻电机在MTPA控制策略和最大效率控制策略下电机效率对比图，低速时电机效率相当，高速时最大效率控制策略的电机效率比MTPA控制策略高1%。

图5-11 不同控制方式下电机效率对比

如果在每个固定转矩上找到最小的功率输入，使得系统的功率损耗最小，就能得到系统的最大效率控制点，虽然概念比较简单，但是系统的铜损和铁损难以通过简单的算法计算。如图5-12所示，系统的MTPA角在120°左右，这时产生单位转矩所需的电流最小，也就是铜损最小，但是从图上可以看出，这时系统的铁损并非最少。假设系统电流为10A时采用MTPA控制，MTPA角为120°，铜损达到最低；系统运行在11A时也能产生一样的转矩，但是没有运行在MTPA角，铜损增大。从图上可以看出，随着转矩角的增大，直轴电流增大，从而使直轴磁链下降，导致共磁链下降。由于系统的铁损与共磁链成正比，因此转矩角增大，铁损减少，如果减少的铁损大于增加的铜损，则系统的效率最大点就不是在MTPA控制点。

目前实现最大效率控制主要有3种方法，即损耗模型法、最小输入功率法和恒功率因数法。

（1）损耗模型法。损耗模型法通过建立电机系统损耗的数学模型，得到一个损耗函数，通过数学方式求得此损耗函数最小值的条件，根据这样的条件实现电机系统效率的最大化。此方法计算量大，严重依赖损耗模型和电机参数的准确性，难以满足复杂多变的工作情况。

图5-12 转矩及铁损与转矩角的特性曲线

（2）最小输入功率法。最小输入功率法也称为搜索法，即使电机系统的输出保持恒定值不变，也就是保持电机系统的输出转矩和转速不变，不断改变控制量，从而得到一个系统的最小输入功率点，这个就是整个电机系统的最大效率点。最小输入功率法鲁棒性强，不依赖于电机参数，便于与智能控制结合实现最优控制。

（3）恒功率因数法。恒功率因数法将功率因数法与控制技术相结合，将电机的功率因数作为控制变量，电机以某一恒定速度运行，当电机工作在损耗最小值时，电机的功率因数与负载转矩无关且保持恒定。所以可以反过来控制功率因数从而达到最优控制。该方法不依赖于电机参数，计算量少，但动态性能偏差。

实际应用中多采用损耗模型法来实现最大效率控制，下面详细介绍损耗模型法具体实现方式。

永磁辅助同步磁阻电机系统损耗主要包括电机本体损耗和控制器损耗。电机本体损耗主要由机械损耗（通风损耗、摩擦损耗）和电气损耗（铜损、铁损）组成。而对整个系统效率影响最大的就是铜损和铁损。

永磁辅助同步磁阻电机铜损与定子电阻和定子电流有关，可以表示为

P_Cu=R_si²_s （5-29）

永磁辅助同步磁阻电机铁损包括磁滞损耗和涡流损耗两部分。磁滞损耗是指当铁磁材料置于磁场中时，材料被反复交变磁化，与此同时，磁畴之间不停地摩擦、消耗能量所造成的损耗，其大小与磁场交变的频率f、铁心的体积和磁滞回线的面积成正比。而电机工作时，铁心中将产生感应电动势，并引起环流，这些环流在铁心内部围绕磁通做旋涡状流动，称为涡流，而涡流在铁心中引起的损耗叫做涡流损耗。铁损的近似表达式为

P_Fe=C_Fef^1.3B²_mG （5-30）

式中 C_Fe——铁心的损耗系数；

B_m——系统密度（T）；(www.xing528.com)

G——铁心质量（kg）。

永磁辅助同步磁阻电机稳态时的损耗主要包括铜损、铁损、机械损耗和杂散损耗。其中铜损主要与定子电流有关；铁损与电机材料、形状、大小、工作温度和负载有关；机械损耗与转速有关。

建立永磁辅助同步磁阻电机铜损和铁损的数学模型，如图5-13所示。

图5-13 永磁辅助同步磁阻电机铜损和铁损模型

a）直轴损耗模型 b）交轴损耗模型

根据以上模型，可以建立如下关系式：

式中 u_od、u_oq——铜损电压直交轴分量；

i_od、i_oq——铜损电流直交轴分量；

i_cd、i_cq——铁损电流直交轴分量。根据上述模型，电机系统的电气损耗可以表示为

从电机系统损耗中的电气损耗P_e和机械损耗P_m可以分析得到电机系统效率。

从以上分析可以看出电机系统效率η与电机转速ω、直轴电流i_d、铜耗交轴电流i_oq有关。

η=f（ω，i_d，i_oq）总会存在有一组数据使得电机系统效率η最大，这就是最大效率控制。