2017年11月21日星期二
动态播报
关于异步电机与永磁电机在公交大巴上的电耗对比分析
2017年04月11日 21:33:00 来源:大连创为电机-薛芳 访问:

从实测数据可以看出,在公交工况,永磁12m 大巴平均电耗1.1kwh,而异步12m 大巴的电耗却优化后只有0.83-0.85kwh,当然,司机的驾驶习惯也会影响车辆耗电量,数据会略有偏差,但数据趋势是明显的,不会影响结论。


为什么异步系统耗电可以比永磁系统耗电还低呢,一般人可能不太相信,我们分析比较一下,大家就会理解:


永磁电机利用永磁材料提供励磁,在中低速功率因数较高,效率也高,但在高速时,由于需要定子吸收较大的无功电流来削弱电机磁场,功率因数较低,效率也降低(公交车既有低速加速也有刹车,还有中高速滑行,情况很复杂)


异步机利用定子吸收无功电流建立磁场,在额定功率时,与永磁电机相比效率低约1%-2%,而在高速时,功率因数及效率会好于永磁电机。常规的异步机控制方法是:额定转速以下励磁电流恒定;额定转速以上励磁电流根据转速上升而下降。


我们大连创为电机首创了一种异步电机新的控制方法:是一种变励磁电流控制方法,始终保持异步机的高功率因数,根据负载的大小,给定最小的励磁电流,以12m 大巴为例:在高速滑行时,原来的控制方法:励磁电流约50A(1500 转),消耗功率约4.3kW ;现在的控制方法:励磁电流约17A(1500 转),消耗功率约为0.5kW,损耗减少了约4kW(励磁电流的减少,不光是减少了电损耗,更多的是减少了磁损耗,效果十分显著)。在轻载时,我们也减小励磁电流,从而提高了功率因数和效率,与永磁电机相比,效率也有所增加,为此我们进行了台架对比,如下表所示(台架试验数据):



从试验数据可以看出:除了在额定功率、额定点永磁电机效率略高于异步电机外,在其余各点(加速、高速、轻载)均低于异步电机,特别是在无功率输出的滑行阶段,永磁电机电损耗和磁损耗都比较大,而异步电机可以通过减少励磁电流,大大降低损耗,因此在整个车辆运行过程中,异步牵引系统的效率优于永磁牵引系统,这是我们通过优化异步电机的磁场控制方式得来的,优化控制系统重点是提高了轻载的效率,大大降低滑行时的损耗。而永磁电机由于其固有的特点,无法优化励磁电流,另外,因为永磁电机要控制高速时的反电势而必须降低额定电压,因此提高了额定电流和起动电流,如同样功率100kW 永磁电机额定电压250-300V 之间,额定电流220A,起动电流450A(2250Nm),异步机额定电压380V,电流188A,起动电流375A(2250Nm),因此相应的永磁电机变频器功率单元较大,功率损耗也较异步变频器高。


另外在3 月5 日我们的10.5 米车在盐城做性能试验,要求137 度电,跑250 公里,未优化的电机在230 公里将137 度电耗完,我们将优化的程序刷新之后,成功跑完260 公里,也就是说,就这辆车而言,优化之后,多跑了30 公里,节电效果很明显。


永磁同步电机的优点是体积较小,重量较轻。但对电动大巴而言也存在致命的缺点:


1. 永磁牵引电机在故障状态,需要拖车,定子断电,对于异步机,磁场为零,可自由转动。但对于永磁电机来说,电机转子上的永磁铁仍然会产生旋转磁场,这个磁场在定子三相绕组中的感应电势称为反电势,反电势与电动机转速成正比,如果反电势较大,且逆变器直流侧电容、电池不能完全吸收再生能量会导致直流侧过电压、过电流,电压值大于IGBT 或
电容的耐压值,那么逆变器有可能被烧毁,甚至引起电池着火。拖车时需要将电机与控制器彻底断开,或者将传动轴与电机轴断开,如果忘记或不知道,就会产生严重安全事故,车辆高速变频器失控时也会如此,国内已出现过多起因永磁电机反电势过高引起车辆着火的事故。


2. 永磁电机高速时需要弱磁调速:需要反向弱磁电流,使其整体效率降低。


3. 由于磁力作用,永磁电机发生故障时在使用现场是拆不开的,必须返厂处理,并且拆装过程,容易伤人,必须让有经验的人处理,这给用户带来极大不便。现在永磁电机都处于前期运行状态,维修量小,并且有生产厂家保修,用户使用维护问题还体现不出来,到后期维修难题就会反应出来:换一个轴承、旋转变压器都非常困难更别说中修、大修了。


4. 如果设计或使用不当,永磁电机在过高温度时,在冲击电流产生的电枢反应作用下,或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁,电机失效。


5. 永磁电机耐温低,在高温下易失磁,电机一般需要水冷,需要水泵及散热器,总体重量跟异步电机相差无几,且水泵又是一个故障点。一旦水泵损坏或散热风扇的故障都可能造成电机高温失磁。

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