基于MATLAB的車載發(fā)電勵磁系統(tǒng)研究

孫小虎，楊潤生，馬小蓉

(軍械工程學院，湖北 石家莊 050003)

0 引言

目前國內(nèi)汽車行進中供電主要靠充電發(fā)電機或蓄電池組。充電發(fā)電機或蓄電池組功率較小，無法滿足我軍特裝設備的供電需要。取力發(fā)電也叫自發(fā)電，是一種通過取力傳動系統(tǒng)，將汽車發(fā)動機的動力取出驅動發(fā)電機進行發(fā)電的技術。與其他發(fā)電系統(tǒng)相比，取力發(fā)電系統(tǒng)有著安全性佳、機動性強、重量輕、體積小、噪音小、無熱源、適用能力強等特點[1，2]，特別適合在野戰(zhàn)醫(yī)院、通信車輛等特種作戰(zhàn)單位使用。研制出具有良好戰(zhàn)場生存能力和優(yōu)良性能的取力發(fā)電系統(tǒng)對于提高我軍后勤保障水平有著重大的戰(zhàn)略意義。

交流勵磁發(fā)電系統(tǒng)具有過載能力強，轉速適應范圍廣的特點，具有很好的發(fā)展前景。筆者以MATLAB為基礎，對車載取力發(fā)電交流勵磁發(fā)電系統(tǒng)進行了建模仿真，探究了以PID控制策略設計勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可行性。

1 交流勵磁控制系統(tǒng)

1.1 交流勵磁發(fā)電機工作原理

交流勵磁發(fā)電機最早是由德國工程師 E.Tuxen提出的。它結合了異步發(fā)電機和同步發(fā)電機的優(yōu)點[3]。在結構上與繞線式異步電機基本相同，但從內(nèi)部電磁關系上看是一種異步化的同步電機[4]，結構如圖 1 所示:

圖1中f1、f2分別為交流勵磁發(fā)電機定、轉子電壓和電流的頻率，n1、n2為定子磁場的同步轉速和轉子磁場相對于轉子的旋轉轉速。交流勵磁發(fā)電機穩(wěn)定運行時，定轉子旋轉磁場相對靜止。當原動機轉速發(fā)生變化時，只要改變發(fā)電機轉子勵磁電壓的頻率就可以保持發(fā)電機機端電壓頻率f1不變，實現(xiàn)發(fā)電機變速恒頻運行。勵磁變壓器能通過整流、逆變將IGBT逆變橋上幅值、相位可調(diào)的勵磁電流輸送給轉子繞組。為防止同一橋臂兩個IGBT互補導通，三個對稱橋臂導通角相差120°。

圖1 交流勵磁控制系統(tǒng)原理圖

1.2 調(diào)制比M和載波比N

本系統(tǒng)功率主電路電流是由SPWM波來調(diào)制的。SPWM波產(chǎn)生的方法大致可分為硬件法和軟件法兩類。由于軟件法具有電路成本低和實時計算能力強的優(yōu)點，筆者選用軟件法中的對稱規(guī)則采樣法[5]

對稱規(guī)則采樣法(如圖2所示)是指SPWM波的脈沖中點和三角波中點(即負峰點)重合，以載波負峰處為采樣點，做垂線與調(diào)制波交于D點，做平行于時間軸的直線三角載波交于 A、B兩點，A、B直線對應的時間軸的長度期間為輸出脈寬，每個載波周期如此，即為SPWM波。且三角載波峰值為Uc，周期為Tc。這種實際上是用一個階梯波去逼近正弦波的方法。由此種方法得到的階梯波與三角波的交點所確定的脈寬在一個采樣周期內(nèi)的位置是對稱的，所以稱之為對稱規(guī)則采樣法。由幾何關系可得

因此，調(diào)制出的脈寬為:

令正弦波峰值 Ur與三角波峰值Uc之比為調(diào)制比M，則有 1≥M＞0;三角波頻率與正弦波頻率之比為載波比 N，其物理意義是在一個正弦波周期里有N個脈寬調(diào)制波輸出。

圖2 對稱規(guī)則采樣法原理圖

2 勵磁系統(tǒng)

筆者所研究勵磁調(diào)節(jié)器實際上可以看作一個具有負反饋控制作用的逆變電源。該勵磁控制系統(tǒng)簡化結構框圖如圖3所示。

圖3 勵磁系統(tǒng)簡易框圖

2.1 勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)模塊傳遞函數(shù)

交流勵磁發(fā)電機在不考慮電機電壓飽和特性可以認為機端電壓穩(wěn)定幅值與勵磁電壓成正比，其傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來表示:

式中:KF——發(fā)電機端電壓和勵磁電壓之比 Td0——發(fā)電機運行時勵磁時間常數(shù)

勵磁調(diào)節(jié)器的濾波作用、功率放大單元均可看成一階慣性環(huán)節(jié)[6]，寫成如公式3的形式。其中K為輸出電壓的幅值與輸入電壓之比。T為濾波或放大單元的時間常數(shù)。由此勵磁控制系統(tǒng)數(shù)學模型，其中功率放大單元、發(fā)電機、測量單元都可以簡化等效為一階滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)分別為:

3 系統(tǒng)MATLAB環(huán)境仿真實驗

3.1 對調(diào)制比M的仿真分析

利用MATLAB/Simlink搭建仿真模塊[7，8]如圖4所示。傳遞函數(shù)1為功率放大環(huán)節(jié)，時間常數(shù)為0.5;傳遞函數(shù)2為M值測量單元，1/400為測量單元輸出M值和輸入電壓之比。傳遞函數(shù)3為異步發(fā)電機環(huán)節(jié)，5為發(fā)電機運行時勵磁時間常數(shù)，60為發(fā)電機機端電壓和勵磁電流之比。仿真時初始M值為1，PID參數(shù)P=1，I=0.1，D=0。其中系統(tǒng)的仿真時間設為 200 ms，仿真曲線見圖5。

3.2 對載波比N的仿真分析

同樣在MATLAB下對載波比N進行仿真分析，仿真模型如圖6所示。載波頻率為10 000 Hz，初始傳動頻率為－25 Hz，通過timer設置頻率變化使傳動頻率從－25 Hz逐級增加至25 Hz。

4 結束語

通過M值仿真圖像可以看出，本文設計的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)在對負載突然變化時有良好的調(diào)節(jié)能力，反應快速有效，并能迅速恢復系統(tǒng)穩(wěn)定。從N值仿真曲線上可以看出負載和傳動頻率同時快速變化，勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)有能對N值快速反應迅速，維持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。因此，應用本文所用方法能?？焖儆行У恼{(diào)制SPWM波，由此設計的交流勵磁發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)是可行的。

圖7 勵磁系統(tǒng)M值和N值仿真模型圖

[1]閃義光.一種駐車發(fā)電的調(diào)速方法及應用[J].移動電源與車輛，2007，38(3):28 －29，35.

[2]陳建業(yè)，周強，劉曉亮.自發(fā)電電站取力方式的研究[J].移動電源與車輛，2008，39(4):41 －43.

[3]黃運.基于DSP的交流異步電機調(diào)速控制器的研究[D].武漢:武漢理工大學，2005.

[4]楊順昌，廖勇，李輝，等.異步化同步發(fā)電機[M].北京:科學出版社，2009.

[5]王兆安，黃俊.電力電子技術(第4版)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2002.3.

[6]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2004.

[7]岳夕彪，楊潤生.基于模糊PID控制的交流勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的MATLAB建模與仿真[J].國外電子測量技術，2010，29(10):23 －26，43.

[8]王正林，王勝開.MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社，2008.