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電機(jī)的弱磁控制是一種針對(duì)永磁同步電機(jī)、無刷永磁直流電機(jī)的高速域控制策略,核心原理是通過削弱勵(lì)磁磁場的等效磁通量,打破基速限制,從而拓展電機(jī)的恒功率調(diào)速運(yùn)行范圍。
電機(jī)的調(diào)速運(yùn)行通常分為兩個(gè)階段,在基速以下,電機(jī)采用恒轉(zhuǎn)矩控制方式,維持勵(lì)磁恒定或在非常小的范圍內(nèi)波動(dòng),調(diào)節(jié)輸入電壓,與隨轉(zhuǎn)速同比增減的反電動(dòng)勢平衡,只須電樞繞組電流以額定電流為基準(zhǔn)小幅調(diào)整,就能保證轉(zhuǎn)矩輸出穩(wěn)定,滿足設(shè)備啟動(dòng)、爬坡等大負(fù)載需求;而當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到基速以上時(shí),若勵(lì)磁不可調(diào)或不變,反電動(dòng)勢將隨速度的上調(diào)不斷增大,導(dǎo)致不同類別的電機(jī)運(yùn)行特性截然不同:一,對(duì)于同步電機(jī)或直流電機(jī),當(dāng)輸入電壓最高限值不足以平衡反電動(dòng)勢時(shí),達(dá)到調(diào)速上限;二,對(duì)于異步電機(jī),勵(lì)磁由電樞電流提供,反電動(dòng)勢自動(dòng)與輸入電壓平衡,輸入電壓調(diào)到最高限值恒定不變后,反電動(dòng)勢也基本不變,意味著速度的上調(diào)必然伴隨磁場的削弱,不可能維持電樞電流中勵(lì)磁分量不變的狀態(tài),否則反電動(dòng)勢隨速度同比增長,無法與恒定輸入電壓相互平衡。由此可見,輸入電壓有上限,導(dǎo)致電機(jī)調(diào)速上限的拓展依賴于弱磁的水平。異步電機(jī)基頻以上調(diào)速時(shí),因調(diào)高速度依賴于頻率上調(diào),勵(lì)磁回路阻抗會(huì)隨速度提高而增大,施加到勵(lì)磁回路上的電壓卻不變,導(dǎo)致勵(lì)磁電流減小,抑制速度提高使反電動(dòng)勢增大的效應(yīng),實(shí)現(xiàn)反電動(dòng)勢和恒定輸入電壓的自動(dòng)平衡。勵(lì)磁可調(diào)的同步電機(jī)和直流電機(jī)理論上也沒有調(diào)速上限或可以無限上調(diào),永磁同步電機(jī)和無刷永磁直流電機(jī)因勵(lì)磁不可調(diào),存在極限速度,必須探索其他手段干預(yù)磁場。
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弱磁控制主要適用于需要寬調(diào)速范圍的設(shè)備,例如新能源汽車高速巡航、工業(yè)高速主軸、軌道交通牽引系統(tǒng)等場景,其核心控制目標(biāo)是在保證電機(jī)輸出功率穩(wěn)定的前提下提升轉(zhuǎn)速,同時(shí)規(guī)避過流、過壓等故障。在實(shí)現(xiàn)方式上,主流做法是在矢量控制框架下,將d軸電流(勵(lì)磁電流分量)調(diào)整為負(fù)值,以此達(dá)到削弱氣隙磁通的目的。但弱磁程度并非無限制,需受電機(jī)功率器件耐壓能力、定子繞組發(fā)熱情況以及永磁體退磁風(fēng)險(xiǎn)等因素約束,過度弱磁會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率下降、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)增大。總體而言,弱磁控制有效解決了電機(jī)的“基速瓶頸”問題,讓同一臺(tái)電機(jī)既能在低速段輸出大轉(zhuǎn)矩,又能在高速段保持額定功率運(yùn)行,大幅提升了電機(jī)的調(diào)速靈活性和功率密度,是高端調(diào)速系統(tǒng)中不可或缺的核心控制技術(shù)。
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