三相繞組切換電路分析與設(shè)計(jì)

羅宏浩，王福興，姜紅軍

(1.裝甲兵工程學(xué)院控制工程系，北京100072;2.65196部隊(duì)，遼寧沈陽110000)

由于永磁電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、效率高的顯著優(yōu)點(diǎn)，在伺服系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，西方軍事強(qiáng)國(guó)也正在研發(fā)以電傳動(dòng)為基礎(chǔ)的新型裝甲車輛［1-3］。然而，當(dāng)前的永磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)與控制方法主要針對(duì)普通民用汽車，其功率等級(jí)、運(yùn)行情況與裝甲車輛電傳動(dòng)系統(tǒng)有很大區(qū)別。目前各國(guó)主戰(zhàn)裝甲車輛在攀爬30°坡時(shí)的最大速度約為8 km/h，此時(shí)外側(cè)履帶所需推力為直線行駛的3倍左右;同時(shí)，還要求在平坦路面最高速度達(dá)到70 km/h。要達(dá)到高速的性能指標(biāo)，需要電動(dòng)機(jī)的弱磁工作范圍達(dá)到9∶1。按現(xiàn)有的永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方法，當(dāng)永磁電動(dòng)機(jī)弱磁工作范圍較大時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密就不能太大，這必然會(huì)影響低速轉(zhuǎn)矩的提升;反之，為滿足車輛爬坡、中心轉(zhuǎn)向等低速下的極限戰(zhàn)技指標(biāo)，要求電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密非常高，而這樣就會(huì)限制電動(dòng)機(jī)的弱磁工作能力，使其無法高速運(yùn)行。綜上所述，考慮到裝甲車輛的質(zhì)量、阻尼系數(shù)及其運(yùn)行特性，僅采取常規(guī)手段難以同時(shí)滿足電傳動(dòng)裝甲車輛對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在弱磁范圍和低速轉(zhuǎn)矩2方面的需求。

實(shí)際上，永磁電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，由于繞組反電勢(shì)較低，雖然繞組電流達(dá)到額定值，但逆變器的輸出功率遠(yuǎn)低于額定值。在這種情況下，可以采用減少繞組的并聯(lián)支路數(shù)的方法來提高輸出轉(zhuǎn)矩，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)供電電流不變，但各相繞組由并聯(lián)變?yōu)榇?lián)，其上電流翻倍，因而轉(zhuǎn)矩也隨之成倍提高。高速運(yùn)行時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，很快使反電勢(shì)達(dá)到供電電壓，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無法繼續(xù)上升。在這種情況下，可以采用增加繞組并聯(lián)支路數(shù)的方法來降低電動(dòng)機(jī)反電勢(shì)，此時(shí)，各相繞組反電勢(shì)不變，但各相繞組由串聯(lián)變?yōu)椴⒙?lián)，電動(dòng)機(jī)總的反電勢(shì)降低一半，因而最大轉(zhuǎn)速也隨之成倍提高，達(dá)到擴(kuò)大弱磁范圍的目的［4-5］。

因此，通過電動(dòng)機(jī)繞組的串/并聯(lián)切換可以滿足裝甲車輛對(duì)傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的苛刻要求。但由于電動(dòng)機(jī)屬于感性負(fù)載，繞組的切換過程對(duì)電動(dòng)機(jī)性能具有非常重要的影響，如果不能掌握好切換的時(shí)機(jī)，在合適的電流點(diǎn)進(jìn)行切換，極易產(chǎn)生很高的尖峰電壓，干擾整個(gè)電路工作甚至導(dǎo)致器件損毀。本文分析了繞組在切換過程中電流、電壓的動(dòng)態(tài)變化，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了合理的開關(guān)矩陣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并利用2組三相變壓器對(duì)繞組的串聯(lián)/并聯(lián)切換過程進(jìn)行了試驗(yàn)。

1 三相繞組切換電路設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

如圖1所示，對(duì)于存在對(duì)稱支路的電動(dòng)機(jī)，各相繞組的對(duì)稱支路可以有串聯(lián)連接和并聯(lián)連接2種不同的結(jié)構(gòu)。

圖1 三相繞組串/并聯(lián)原理圖

以電動(dòng)機(jī)支路數(shù)等于2為例，假設(shè)2個(gè)支路完全對(duì)稱，各支路繞組電感值為L(zhǎng)，串聯(lián)時(shí)電感的值為2L，并聯(lián)時(shí)電感的值為L(zhǎng)/2，則各相電感變化情況為

由于各繞組支路在電磁位置、物理結(jié)構(gòu)上完全相同，因此在不同的連接方式下，電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)關(guān)系還有:

由此可見:不同的繞組連接方式改變了電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)。因此，可以通過電動(dòng)機(jī)繞組的串/并聯(lián)切換改變其電磁特性，滿足裝甲車輛對(duì)傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩和高速寬弱磁范圍2方面的苛刻需求。

1.2 電路結(jié)構(gòu)

由于繞組導(dǎo)通交流電，因此開關(guān)必須能夠雙向?qū)?關(guān)斷，考慮管子的耐電壓、耐電流、開關(guān)速度、驅(qū)動(dòng)電路等原因，本文選擇雙向晶閘管為切換電路的開關(guān)管。切換電路的原理如圖2所示，LA1、LA2，LB1、LB2，LC1、LC2分別代表三相繞組的2個(gè)并聯(lián)支路，SA1，…，SC3為各切換開關(guān)。以 A相為例:當(dāng) SA1與SA3斷開、SA2接通時(shí)，A相繞組串聯(lián)連接;當(dāng)SA2斷開、SA1與SA3接通時(shí)，A相繞組并聯(lián)連接。B、C相繞組切換過程原理與A相相同。通過對(duì)各相連接開關(guān)的控制，即可實(shí)現(xiàn)繞組串/并聯(lián)的切換。

圖2 三相繞組切換電路原理圖

1.3 仿真分析

由于電動(dòng)機(jī)繞組屬于感性負(fù)載，因此，切換電路要實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、快速、有效的串/并聯(lián)切換，關(guān)鍵是避免電路切換過程中可能產(chǎn)生的電壓尖峰。筆者采用電路仿真軟件Multisim10.0對(duì)所設(shè)計(jì)的切換電路進(jìn)行了仿真分析。仿真過程采用2個(gè)完全相同的三相變壓器模擬電動(dòng)機(jī)繞組，變壓器的參數(shù)如表1所示。切換電路與變壓器低壓端繞組相連，采用三相調(diào)壓器供電，電壓幅值為10 V;各相負(fù)載與高壓端繞組星形連接，電阻值為40 Ω;開關(guān)選繼電器，其余仿真參數(shù)設(shè)為默認(rèn)值。

表1 三相變壓器的參數(shù)

圖3(a)是某一時(shí)刻下三相繞組從并聯(lián)切換到串聯(lián)時(shí)繞組兩端的電流波形，可以看出:繞組兩端出現(xiàn)較大的電流尖峰。其原因在于，開關(guān)關(guān)斷時(shí)刻，繞組中的電流不為零，從而在繞組兩端感應(yīng)出很高的電壓，導(dǎo)致相應(yīng)的電流尖峰。過大的尖峰電壓會(huì)干擾整個(gè)電路的正常工作，甚至有擊穿器件的危險(xiǎn)。為了消除尖峰電壓，本文采用了電流過零切換模式，該模式下繞組兩端的電壓波形如圖3(b)所示，可以看出:在過零點(diǎn)的切換條件下進(jìn)行的電路切換，無論是從電流的下降沿還是上升沿，電路中的波形始終能夠保持其正弦特性及波形的連續(xù)性，基本消除了電壓尖峰。

圖3 三相繞組切換仿真波形

仿真結(jié)果表明:采用本文提出的三相繞組切換電路可以實(shí)現(xiàn)繞組的串/并聯(lián)切換;但為了消除切換過程中可能產(chǎn)生的電壓尖峰，必須對(duì)切換時(shí)機(jī)進(jìn)行精確控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)三相繞組的電流過零切換控制，本文設(shè)計(jì)了一套計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，主要包含傳感器、單片機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)，系統(tǒng)總體框圖如圖4所示。該系統(tǒng)利用三相交流互感器檢測(cè)切換電路的電流信號(hào)，并送至單片機(jī)進(jìn)行濾波、AD轉(zhuǎn)換;單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)串行接口送至上位機(jī)進(jìn)行顯示、計(jì)算等數(shù)據(jù)處理;同時(shí)，上位機(jī)接收到操作人員的切換命令后，向單片機(jī)發(fā)送操作指令，單片機(jī)接收指令后控制繼電器的通斷，最終實(shí)現(xiàn)切換電路的串/并聯(lián)轉(zhuǎn)換。

圖4 控制系統(tǒng)總體框圖

2.2 單片機(jī)程序流程

底層控制電路采用ATmega16單片機(jī)作為主控芯片，并通過RS232串口通信完成與上位機(jī)通信，PC機(jī)為主接收端，單片機(jī)為主發(fā)送端。單片機(jī)在發(fā)送檢測(cè)信號(hào)的同時(shí)，按上位機(jī)指令控制繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn)三相繞組切換電路的切換。

單片機(jī)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，根據(jù)自PC機(jī)接收的不同指令執(zhí)行相應(yīng)的命令。單片機(jī)主程序采用輪詢的方式，數(shù)據(jù)的發(fā)送采用定時(shí)器0溢出中斷，每隔2 ms發(fā)送一次采樣數(shù)據(jù)，其控制信號(hào)中，“b”、“c”分別代表并聯(lián)和串聯(lián)連接。單片機(jī)程序流程如圖5所示。

圖5 單片機(jī)程序流程

2.3 上位機(jī)程序流程

上位機(jī)采用VB軟件設(shè)計(jì)，調(diào)用按鈕、文本框、MSComm等控件，并對(duì)其定義編程，通過串口接收字符觸發(fā)OnComm事件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、接收和顯示［6］。上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能:一是通過與單片機(jī)的串口通信完成信息傳遞;二是實(shí)時(shí)顯示并記錄三相繞組的電流;三是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作。上位機(jī)工作流程如圖6所示。

圖6 上位機(jī)程序流程

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的三相繞組切換電路是否符合要求，即能否實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、快速、有效的繞組切換，利用2組三相變壓器對(duì)繞組切換電路進(jìn)行了試驗(yàn)。電路的連接方式和各試驗(yàn)器件的參數(shù)與1.3節(jié)相同。變壓器的低壓端采用星形連接，模擬定子繞組;高壓端采用三角形連接，同時(shí)串入負(fù)載電阻;切換開關(guān)采用雙向晶閘管。

圖7給出了當(dāng)輸入的交流電壓有效值為10 V時(shí)，低壓繞組端由串聯(lián)狀態(tài)切換成并聯(lián)狀態(tài)，再由并聯(lián)狀態(tài)切換成串聯(lián)狀態(tài)的繞組電流波形。單片機(jī)在接收到上位機(jī)的切換指令后，檢測(cè)各相電流過零點(diǎn)，并輸出相應(yīng)的電平控制切換開關(guān)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)繞組串/并聯(lián)的切換。由圖7可見:整個(gè)切換過程快速、平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)瞬時(shí)尖峰電壓，保證了電路正常工作。由于繞組切換過程僅發(fā)生在車輛低速段，因此本文采用工頻電源供電與實(shí)際情況是較為接近的。

圖7 三相繞組切換試驗(yàn)結(jié)果

與此同時(shí)，單片機(jī)將AD口采集到的數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行分析、處理以及相關(guān)信息的顯示，并繪制實(shí)時(shí)的電流波形，如圖8所示。對(duì)比圖7、8可知:上位機(jī)顯示的波形與示波器監(jiān)測(cè)波形基本一致，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

圖8 上位機(jī)監(jiān)測(cè)波形

4 結(jié)論

本文提出了一種針對(duì)三相繞組切換方案的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并利用2組三相變壓器完成了相應(yīng)的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:在繞組電流過零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)繞組的串/并聯(lián)切換可以有效抑制切換過程的尖峰電壓。

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