車載低壓大電流籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)

蘇 寧，黃文新，卜飛飛，莊圣倫

(南京航空航天大學，南京210016)

0 引 言

現(xiàn)代車輛，尤其是特種車輛上的用電設備越來越多，且用電設備大多以低壓直流電源(如28 V)進行供電，總功率已達10 kW 級，供電電流達數(shù)百安培以上。低壓直流電源簡單可靠，便于使用蓄電池作為備用與應急［1］。傳統(tǒng)車載電源系統(tǒng)需附加一輛掛車裝載柴油機和發(fā)電機對用電設備進行供電，使用不便且價格昂貴［2］，目前已較少使用。新型車載發(fā)電系統(tǒng)采用行駛取力發(fā)電方案，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)靈活度，已逐漸取代傳統(tǒng)方案，同時也對發(fā)電系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)提出了更高的要求［3］。

隨著用電設備增多，用電量增大，常規(guī)有刷低壓直流發(fā)電機由于電刷與換向器的存在，其電機的最大容量被大大限制，且換向火花和電磁干擾問題難以解決［4］，不能滿足高性能車載電子設備的供電要求。針對車載發(fā)電系統(tǒng)可靠性、靈活性和經(jīng)濟性的要求，文獻［5－7］利用永磁電機設計，實現(xiàn)車載發(fā)電以及輔助功率單元系統(tǒng)，取得良好的控制效果。但是永磁電機成本較高，勵磁不可調節(jié)，不可滅磁，不適宜低壓寬轉速范圍的應用場合，同時永磁材料也有失磁的風險。文獻［8－9］研究了混合勵磁電機、爪極發(fā)電機等特種電機車載發(fā)電系統(tǒng)，主要針對混合動力系統(tǒng)和輔助功率單元進行設計，但是電機轉軸轉速范圍不大且功率等級低。文獻［10］研究了異步發(fā)電機在低壓大電流牽引系統(tǒng)中的應用和控制，文獻［11］研究了異步電機在混合動力汽車中的輔助功率單元的電動控制，兩者說明了異步發(fā)電機在低壓大電流和寬轉速范圍場合中優(yōu)良的應用特性。此外，籠型異步電機還具有天然的無刷結構、結構簡單、堅固耐用、成本低廉、發(fā)生故障時易滅磁，安全可靠，發(fā)電運行動態(tài)性能好等特點，可以在車載低壓大電流發(fā)電系統(tǒng)應用場合中發(fā)揮更大的作用。

基于上述的討論比較，本文選取異步電機并研究其在低壓大電流發(fā)電場合中的應用技術，針對車載額定功率15 kW、額定電壓28.5 V、額定轉速800～2 400 r/min 的應用要求，研究與設計了籠型異步發(fā)電機的閉環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，實驗驗證了其技術可行性。

1 車載籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)的總體設計

籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)的總體設計如圖1 所示，主要由發(fā)動機(原動機)、籠型異步發(fā)電機、功率單元、蓄電池組和控制單元共五部分組成。該發(fā)電系統(tǒng)直接輸出額定為28.5 V 的直流電。蓄電池組并聯(lián)在直流母線上，在發(fā)電系統(tǒng)建壓時提供勵磁，在正常工作時得到充電，而當發(fā)電機停止工作時，能夠向母線提供24 V 直流電源。在低壓大電流場合中，15 kW 滿載時母線電流和相電流將達到500 A 以上，由此產(chǎn)生的損耗和電磁干擾相當可觀［12］。因此，本系統(tǒng)采用疊層母排結構的主功率單元設計。疊層母排結構為多層復合結構，具有低阻抗、抗電磁干擾等優(yōu)點，非常適合于低壓大電流應用場合［13－14］。

圖1 異步電機發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖

2 車載籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)控制策略

在異步電機發(fā)電系統(tǒng)中，輸出電壓發(fā)生變化的原因是轉子側產(chǎn)生的電磁功率與定子負載側實際需求的電功率之間的不平衡。因此，異步發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定性，動態(tài)性能的提高，其根本在于保證當系統(tǒng)運行狀況發(fā)生變化，尤其當突加/卸載時，快速實現(xiàn)功率平衡［15－18］。

不計發(fā)電系統(tǒng)的損耗，系統(tǒng)進入發(fā)電狀態(tài)后，有下式成立:

式中:Te為電磁轉矩;ωr為轉子角頻率，由于機械時間常數(shù)比電氣時間常數(shù)大得多，轉子角頻率變化較慢，在分析電磁過程時，ωr可視為常數(shù);Pout為負載消耗的電功率。

對式(1)左右兩邊作差分，可得式(2):

當負載突變時，定子側負載功率也隨之發(fā)生突變。若需要保證直流側輸出電壓波動時良好的動態(tài)性能，那么由式(2)可知:輸出功率與電磁轉矩之間的變化量存在線性關系，快速調節(jié)電磁轉矩就能快速調整輸出功率，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定［19－21］。

若氣隙磁通的幅值φm恒定，當轉差頻率ωs不大于最大轉差頻率ωsmax時，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行范圍內(nèi)。負載消耗的電功率與轉差頻率近似成正比關系:

根據(jù)上述討論，得到采用比例(P)調節(jié)器對轉差頻率進行前饋控制的策略:系統(tǒng)檢測計算輸出功率，經(jīng)過比例調節(jié)后得到異步發(fā)電機的給定轉差頻率及給定定子頻率;再由電機V/F 曲線得出的給定相電壓幅值;經(jīng)過SPWM 調制對三相整流橋進行驅動。

僅僅依靠前饋控制不能完全消除靜差。為了保證直流母線電壓的穩(wěn)定無靜差，同時提高動態(tài)品質，除了前饋調節(jié)之外，還需要對系統(tǒng)的直流母線電壓進行反饋調節(jié)。調節(jié)器采用常用的比例－積分－微分(PID)調節(jié)器。在負載一定的情況下，母線電壓瞬時值大小反映了系統(tǒng)有功功率的輸出大小，因此母線電壓反饋調節(jié)量應加到異步發(fā)電機的給定轉差頻率上。

由此得到異步發(fā)電系統(tǒng)的給定轉差頻率控制規(guī)律為:

采集系統(tǒng)直流輸出母線的電壓電流，即可得到系統(tǒng)的瞬時輸出功率，通過式(3)的關系即可計算出不同輸出功率下對應的轉差，再由式(4)，與直流母線電壓反饋調節(jié)值相加，得到異步發(fā)電機的給定轉差頻率及給定定子頻率，完成對異步發(fā)電系統(tǒng)轉差頻率的閉環(huán)控制。圖2 顯示了籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)轉差頻率控制的原理框圖。

圖2 籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)轉差頻率控制原理框圖

3 車載籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)的實驗研究

實驗樣機平臺的軟硬件結構示意圖如圖3 所示。發(fā)電機參數(shù)為額定相電壓11 V，額定功率15 kW，轉速范圍800 ～2 400 r/min。樣機平臺的蓄電池容量為110 A·h。實驗研究中使用兩臺電機對拖模擬車載運行。拖動電機為一臺籠型異步電機，參數(shù):額定線電壓380 V，額定功率37 kW，額定轉速1 480 r/min，額定工作頻率50 Hz。

發(fā)電系統(tǒng)的控制電路選用Freesclae 公司的MC56F8346 型號的DSP 芯片為控制器核心，具體分為采樣調理電路、保護電路、控制器電路、驅動電路、顯示電路幾個部分?？刂齐娐纺軌蚪邮胀饨缈刂坪屯ㄓ嵭盘枌Πl(fā)電系統(tǒng)進行控制，并且可以在LED 面板上顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)。

圖3 異步電機發(fā)電系統(tǒng)樣機平臺結構示意圖

因為系統(tǒng)工作在低壓大電流場合中，所以其主功率電路部分的設計實現(xiàn)需要考慮大電流所帶來的損耗及電磁干擾而產(chǎn)生的一系列影響。本系統(tǒng)主功率模塊采用疊層母排結構，其結構示意圖如圖4 所示，該結構可以有效降低寄生阻抗對系統(tǒng)的不良影響。三相整流橋與濾波電容共同安裝在疊層母排上。其中整流橋橋臂模塊選用IXYS 公司VMM1500－0075型號MOSFET 模塊。該MOSFET 模塊正向耐壓較小，但其導通溝道的等效電阻很小，典型值僅為0.38 Ω，導通損耗小，適用于低壓大電流應用場合。驅動板近距離地布置在主功率模塊上方，可以減小主功率主電路中大電流對驅動電路控制信號的干擾。同時在主功率模塊上安裝無感電容和TVS 瞬態(tài)抑制二極管，以抑制大電流突變而產(chǎn)生的沖擊尖峰。根據(jù)紋波和動態(tài)性的要求，選用六個濾波電解電容并聯(lián)于直流母線，總等效值為19.8 mF。

圖4 采用疊層母排結構的主功率模塊結構示意圖

4 實驗研究結果和分析

圖5 顯示了異步發(fā)電系統(tǒng)實驗樣機的建壓過程。建壓時系統(tǒng)采取了逐步增加母線電壓和相電壓給定的控制策略，使得建壓過程得以平穩(wěn)執(zhí)行。Udc表示直流母線電壓，而iu表示異步電機定子繞組的u 相電流。建壓后母線電壓平穩(wěn)升至28.5 V，相電流有效值為127 A，完成建壓。

圖5 異步發(fā)電系統(tǒng)建壓過程

圖6 顯示了轉速從780 r/min 至1 800 r/min 變速運行時系統(tǒng)的母線電壓和相電流波形?？梢钥闯瞿妇€電壓在不同轉速下仍保持穩(wěn)定。圖6(a)為降速波形，圖6(b)為升速波形。當降速運行時，異步機需要更大的勵磁電流，故相電流幅值增加;升速時異步機需要更小的勵磁電流，故相電流減小。

圖6 異步發(fā)電系統(tǒng)變速運行過程

圖7 顯示了系統(tǒng)15 kW 滿載時的輸出電壓和相電流波形。由圖7 可以看出，穩(wěn)態(tài)電壓保持在28.5 V，系統(tǒng)正常工作，滿足國家軍用標準GJB181A－2003 中28 V 直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)標準要求。

圖7 異步發(fā)電系統(tǒng)15 kW 滿載運行波形

圖8 顯示了系統(tǒng)的突加/卸載5 kW 負載的輸出電壓、電流波形。實驗顯示母線電壓調整時間約為35 ms，調整時電壓波動約為3 V。國家軍用標準GJB181A－2003 對28 V 直流系統(tǒng)正常電壓瞬變包絡線作了如圖9 所示的規(guī)定，要求發(fā)電系統(tǒng)的電壓瞬變波形在該包絡線內(nèi)。從實驗波形和國軍標中的電壓瞬變包絡線的比對可以看出，圖8 的電壓波形滿足國家軍用標準GJB181A－2003 的要求。

圖8 異步發(fā)電系統(tǒng)突加/卸負載波形

圖9 GJB181A－2003 28 V 直流系統(tǒng)正常電壓瞬變包絡線

5 結 語

本文針對15 kW 車載低壓大電流籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)的控制和實現(xiàn)作了研究，進行了該發(fā)電系統(tǒng)的總體設計，分析了異步發(fā)電機的轉差頻率控制策略，敘述了相關軟硬件結構和實現(xiàn)過程，并給出了控制框圖和系統(tǒng)軟硬件結構示意圖。實驗結果表明該發(fā)電方案可以成功輸出穩(wěn)定可靠的直流電能，相關技術指標符合要求，驗證了籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)在低壓大電流應用場合的技術可行性。

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