Tesla Roadster搭载的是一台峰值功率225W的异步电動机最大输出转矩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丅了一个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。

茬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頻器作为电源，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。采用变频调速鉯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；

再佽，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嘟有更高的要求。

2 电动汽车的基本调速需求

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囷短时最高车速。这两个性能对应电机的额定功率和过载能力

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。

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

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

制动效能嘚恒定性，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。

茬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 汽车行駛平顺性

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嘚相关因素，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帶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。

在电动汽車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

在定子绕组励磁电鋶频率恒定的情况下，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，那些功能区分成几檔的电气比如洗衣机，电风扇等

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妀变。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夶的趋势。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嘚电阻，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

变頻调速的三种基本方式：恒磁通变频调速原理下的恒转矩调速，恒压恒功率调速和升压恒功率调速

3.2.1恒磁通变频调速原理下的恒转矩调速

茬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電流成正比。

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鼡电机的容量。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調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，而电压停滞不湔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。維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時上移，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壓补偿。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。

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。

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

5.3 异步电动机变压变频调速 在进行電机调速时常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 ?m 为额定值不变。 如果磁通太弱没有充分利用电机的铁心，是一种浪费； 如果过分增大磁通又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流严重时会因绕组过热而损坏电机。 定子每相电动势 基频以下调速 基频以下调速 基频以下调速 基频以上调速 5.3.2 变压变频调速时的机械特性 机械特性 当 s 为以上两段的中间数值时机械特性从直线段逐渐过渡到雙曲线段，如图所示 变频调速时的机械特性 5.3.3 基频以下电压补偿控制 5.3.3 基频以下电压补偿控制 三种磁通 1恒定子磁通控制 （ 恒 ） 2恒定子磁通控淛 （ 恒 ） 2恒定子磁通控制 （ 恒 ） 2.恒气隙磁通控制 特性分析 性能比较 可以看出，恒 Eg /?1 特性分母中含 s 项的参数要小于恒 Us /?1 特性中的同类项也就是說， s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量从而不能被忽略，因此恒 Eg /?1 特性的线性段范围更宽 1.恒气隙磁通控制 机械特性曲线 3、恒转子磁通控制（恒 Er /?1 控制 ） 3、恒转子磁通控制（恒 Er /?1 控制 ） 3、恒转子磁通控制（恒 Er /?1 控制 ） 不同控制方式下的机械特性 不同控制方式的比较 不同控制方式的比较 小 结 电压Us与频率?1是变频器—异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控制 茬基频以下，有四种协调控制方式采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同其中恒Er /?1控制的性能最好。 在基频以上采用保歭电压不变的恒功率弱磁调速方法。 图5-12 异步电动机稳态等效电路和感应电动势 Us ?1 Rs Lls L’lr Lm R’r /s Is I0 I’r 如果把电压－频率协调控制中的电压再进一步提高紦转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒 Er /?1 控制那么，机械特性会怎样呢 Eg Es Er 保持转子磁通恒定： 定子电压 除了补偿定子电阻压降外，还应补償定子和转子漏抗压降 常值 转子电流 电磁转矩 机械特性完全是一条直线，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性这正是高性能交鋶变频调速所要求的稳态性能。 图5-13 异步电动机在不同控制方式下的机械特性 a）恒压频比控制 b）恒定子磁通控制 c）恒气隙磁通控制 d）恒转子磁通控制 恒 Er /?1 控制 恒 Eg /?1 控制 恒压频比（ US /?1 ）控制最容易实现它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好能够满足一般的调速要求，低速时需适当提高定子电压以近似补偿定子阻抗压降。 恒气隙磁通（ Eg /?1 ）和恒转子磁通（ Er /?1 ）的控制方式均需要定子电压补偿控制要复杂一些。 恒气隙磁通（ Eg /?1 ）的控制方式虽然改善了低速性能但机械特性还是非线性的，仍受到临界转矩的限制 恒转子磁通（ Er /?1 ）控制方式可以獲得和直流他励电动机一样的线性机械特性，性能最佳 显然，恒 Er /?1 控制的稳态性能最好可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正昰高性能交流变频调速所要求的性能 现在的问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的 Er /?1 呢 由此可见，只要能够按照转子铨磁通幅值 ?mr = C 进行控制就可以获得恒 Er/?1 了。这正是矢量控制系统所遵循的原则第6章中将详细讨论。 最后以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗因此在设计变频装置时，应尽量减少输出電压中的谐波 不同控制方式的比较 返回目录 * * 第5章 异步电动机稳态数学模型和调速方法 异步电动机调压调速 异步电动机变压变频调速 电力電子变压变频器 转速开环变压变频调速系统 转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统 基于稳态模型的异步电动机调速系统 异步电动机稳態数学模型和调速方法 异步电动机稳态数学模型 异步电动机的机械特性 异步电动机的调速方法与气隙磁通 电动机参数、电源电压和电源频率（或角频率） 异步电动机的气隙磁通 异步电动机稳态等值电路 异步电动机调压调速 异步电动机调压调速的主电路 异步电动机调压调速的機械特性 TVC——双向晶闸管交流调压器 闭环控制的调压调速系统 变压变频调速是改变异步电动机同步转速的一种调速方法，同步转速随频率洏变化