車載低壓大電流籠型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)

蘇 寧，黃文新，卜飛飛，莊圣倫

(南京航空航天大學(xué)，南京210016)

0 引 言

現(xiàn)代車輛，尤其是特種車輛上的用電設(shè)備越來(lái)越多，且用電設(shè)備大多以低壓直流電源(如28 V)進(jìn)行供電，總功率已達(dá)10 kW 級(jí)，供電電流達(dá)數(shù)百安培以上。低壓直流電源簡(jiǎn)單可靠，便于使用蓄電池作為備用與應(yīng)急［1］。傳統(tǒng)車載電源系統(tǒng)需附加一輛掛車裝載柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行供電，使用不便且價(jià)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?cè)×Πl(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(shí)也對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提出了更高的要求［3］。

隨著用電設(shè)備增多，用電量增大，常規(guī)有刷低壓直流發(fā)電機(jī)由于電刷與換向器的存在，其電機(jī)的最大容量被大大限制，且換向火花和電磁干擾問(wèn)題難以解決［4］，不能滿足高性能車載電子設(shè)備的供電要求。針對(duì)車載發(fā)電系統(tǒng)可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性的要求，文獻(xiàn)［5－7］利用永磁電機(jī)設(shè)計(jì)，實(shí)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(jī)成本較高，勵(lì)磁不可調(diào)節(jié)，不可滅磁，不適宜低壓寬轉(zhuǎn)速范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，同時(shí)永磁材料也有失磁的風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)［8－9］研究了混合勵(lì)磁電機(jī)、爪極發(fā)電機(jī)等特種電機(jī)車載發(fā)電系統(tǒng)，主要針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)和輔助功率單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速范圍不大且功率等級(jí)低。文獻(xiàn)［10］研究了異步發(fā)電機(jī)在低壓大電流牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用和控制，文獻(xiàn)［11］研究了異步電機(jī)在混合動(dòng)力汽車中的輔助功率單元的電動(dòng)控制，兩者說(shuō)明了異步發(fā)電機(jī)在低壓大電流和寬轉(zhuǎn)速范圍場(chǎng)合中優(yōu)良的應(yīng)用特性。此外，籠型異步電機(jī)還具有天然的無(wú)刷結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本低廉、發(fā)生故障時(shí)易滅磁，安全可靠，發(fā)電運(yùn)行動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)，可以在車載低壓大電流發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)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(jī)并研究其在低壓大電流發(fā)電場(chǎng)合中的應(yīng)用技術(shù)，針對(duì)車載額定功率15 kW、額定電壓28.5 V、額定轉(zhuǎn)速800～2 400 r/min 的應(yīng)用要求，研究與設(shè)計(jì)了籠型異步發(fā)電機(jī)的閉環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其技術(shù)可行性。

1 車載籠型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

籠型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)(原動(dòng)機(jī))、籠型異步發(fā)電機(jī)、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(shí)提供勵(lì)磁，在正常工作時(shí)得到充電，而當(dāng)發(fā)電機(jī)停止工作時(shí)，能夠向母線提供24 V 直流電源。在低壓大電流場(chǎng)合中，15 kW 滿載時(shí)母線電流和相電流將達(dá)到500 A 以上，由此產(chǎn)生的損耗和電磁干擾相當(dāng)可觀［12］。因此，本系統(tǒng)采用疊層母排結(jié)構(gòu)的主功率單元設(shè)計(jì)。疊層母排結(jié)構(gòu)為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有低阻抗、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于低壓大電流應(yīng)用場(chǎng)合［13－14］。

圖1 異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 車載籠型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)控制策略

在異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中，輸出電壓發(fā)生變化的原因是轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的電磁功率與定子負(fù)載側(cè)實(shí)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(dòng)態(tài)性能的提高，其根本在于保證當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行狀況發(fā)生變化，尤其當(dāng)突加/卸載時(shí)，快速實(shí)現(xiàn)功率平衡［15－18］。

不計(jì)發(fā)電系統(tǒng)的損耗，系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)后，有下式成立:

式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;ωr為轉(zhuǎn)子角頻率，由于機(jī)械時(shí)間常數(shù)比電氣時(shí)間常數(shù)大得多，轉(zhuǎn)子角頻率變化較慢，在分析電磁過(guò)程時(shí)，ωr可視為常數(shù);Pout為負(fù)載消耗的電功率。

對(duì)式(1)左右兩邊作差分，可得式(2):

當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，定子側(cè)負(fù)載功率也隨之發(fā)生突變。若需要保證直流側(cè)輸出電壓波動(dòng)時(shí)良好的動(dòng)態(tài)性能，那么由式(2)可知:輸出功率與電磁轉(zhuǎn)矩之間的變化量存在線性關(guān)系，快速調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩就能快速調(diào)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(dāng)轉(zhuǎn)差頻率ωs不大于最大轉(zhuǎn)差頻率ωsmax時(shí)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)。負(fù)載消耗的電功率與轉(zhuǎn)差頻率近似成正比關(guān)系:

根據(jù)上述討論，得到采用比例(P)調(diào)節(jié)器對(duì)轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行前饋控制的策略:系統(tǒng)檢測(cè)計(jì)算輸出功率，經(jīng)過(guò)比例調(diào)節(jié)后得到異步發(fā)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)差頻率及給定定子頻率;再由電機(jī)V/F 曲線得出的給定相電壓幅值;經(jīng)過(guò)SPWM 調(diào)制對(duì)三相整流橋進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

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(wú)靜差，同時(shí)提高動(dòng)態(tài)品質(zhì)，除了前饋調(diào)節(jié)之外，還需要對(duì)系統(tǒng)的直流母線電壓進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器采用常用的比例－積分－微分(PID)調(diào)節(jié)器。在負(fù)載一定的情況下，母線電壓瞬時(shí)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(diào)節(jié)量應(yīng)加到異步發(fā)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)差頻率上。

由此得到異步發(fā)電系統(tǒng)的給定轉(zhuǎn)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(shí)輸出功率，通過(guò)式(3)的關(guān)系即可計(jì)算出不同輸出功率下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差，再由式(4)，與直流母線電壓反饋調(diào)節(jié)值相加，得到異步發(fā)電機(jī)的給定轉(zhuǎn)差頻率及給定定子頻率，完成對(duì)異步發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率的閉環(huán)控制。圖2 顯示了籠型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率控制的原理框圖。

圖2 籠型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率控制原理框圖

3 車載籠型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)平臺(tái)的軟硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。發(fā)電機(jī)參數(shù)為額定相電壓11 V，額定功率15 kW，轉(zhuǎn)速范圍800 ～2 400 r/min。樣機(jī)平臺(tái)的蓄電池容量為110 A·h。實(shí)驗(yàn)研究中使用兩臺(tái)電機(jī)對(duì)拖模擬車載運(yùn)行。拖動(dòng)電機(jī)為一臺(tái)籠型異步電機(jī)，參數(shù):額定線電壓380 V，額定功率37 kW，額定轉(zhuǎn)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(hào)的DSP 芯片為控制器核心，具體分為采樣調(diào)理電路、保護(hù)電路、控制器電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路幾個(gè)部分?？刂齐娐纺軌蚪邮胀饨缈刂坪屯ㄓ嵭盘?hào)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，并且可以在LED 面板上顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)樣機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

因?yàn)橄到y(tǒng)工作在低壓大電流場(chǎng)合中，所以其主功率電路部分的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)需要考慮大電流所帶來(lái)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(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示，該結(jié)構(gòu)可以有效降低寄生阻抗對(duì)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(hào)MOSFET 模塊。該MOSFET 模塊正向耐壓較小，但其導(dǎo)通溝道的等效電阻很小，典型值僅為0.38 Ω，導(dǎo)通損耗小，適用于低壓大電流應(yīng)用場(chǎng)合。驅(qū)動(dòng)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(duì)驅(qū)動(dòng)電路控制信號(hào)的干擾。同時(shí)在主功率模塊上安裝無(wú)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(dòng)態(tài)性的要求，選用六個(gè)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(jié)構(gòu)的主功率模塊結(jié)構(gòu)示意圖

4 實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果和分析

圖5 顯示了異步發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的建壓過(guò)程。建壓時(shí)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(guò)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(jī)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(guò)程

圖6 顯示了轉(zhuǎn)速?gòu)?80 r/min 至1 800 r/min 變速運(yùn)行時(shí)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(zhuǎn)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(dāng)降速運(yùn)行時(shí)，異步機(jī)需要更大的勵(lì)磁電流，故相電流幅值增加;升速時(shí)異步機(jī)需要更小的勵(lì)磁電流，故相電流減小。

圖6 異步發(fā)電系統(tǒng)變速運(yùn)行過(guò)程

圖7 顯示了系統(tǒng)15 kW 滿載時(shí)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(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB181A－2003 中28 V 直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 異步發(fā)電系統(tǒng)15 kW 滿載運(yùn)行波形

圖8 顯示了系統(tǒng)的突加/卸載5 kW 負(fù)載的輸出電壓、電流波形。實(shí)驗(yàn)顯示母線電壓調(diào)整時(shí)間約為35 ms，調(diào)整時(shí)電壓波動(dòng)約為3 V。國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB181A－2003 對(duì)28 V 直流系統(tǒng)正常電壓瞬變包絡(luò)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(luò)線內(nèi)。從實(shí)驗(yàn)波形和國(guó)軍標(biāo)中的電壓瞬變包絡(luò)線的比對(duì)可以看出，圖8 的電壓波形滿足國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB181A－2003 的要求。

圖8 異步發(fā)電系統(tǒng)突加/卸負(fù)載波形

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

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)15 kW 車載低壓大電流籠型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的控制和實(shí)現(xiàn)作了研究，進(jìn)行了該發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，分析了異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率控制策略，敘述了相關(guān)軟硬件結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并給出了控制框圖和系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)示意圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)技術(shù)指標(biāo)符合要求，驗(yàn)證了籠型異步電機(jī)發(fā)電系統(tǒng)在低壓大電流應(yīng)用場(chǎng)合的技術(shù)可行性。

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