電驅動拖拉機功率平衡控制策略設計與仿真

武 崢

(西山煤電集團公司 發電分公司，山西 太原 030053)

目前各國都在大力投入清潔能源車輛的研發與生產，有些已經取得了顯著的效果。在農業機械方面越來越多地利用電驅動作為動力，最突出的便是電驅動拖拉機，拖拉機在田地里工作的特點是：阻力大、工作負荷不穩定、容易受到不可控制功率的影響，在這種情況下傳統的拖拉機相對于電驅動拖拉機便突顯了其缺點。電驅動系統能夠在一定程度上減少負載變化時對發動機的沖擊，主要是由于系統中提供主要動力的發動機、發電機組和驅動系統在結構上是相互分離的，它們之間都是通過電能來耦合的。這種耦合關系使它們之間沒有直接的扭矩和轉速關系，只是單純的能量之間的耦合，所以電機以及電機控制系統便對拖拉機的動力性能起到了決定性的作用。為了提高效率可以將電機控制在最佳狀態。最為關鍵的技術便是合理的控制系統，而控制系統的核心便是功率平衡。目前我國對此研究還處于起步階段，本文基于此選擇以電驅動拖拉機的功率平衡為研究對象，提出合理的控制策略[1].

1 電驅動拖拉機整機構架

電驅動拖拉機整機構架圖見圖1. 從圖1可以看出，發動機、電動機和發電機是組成整個拖拉機動力系統的主要部分。該系統是利用交-直-交策略來控制功率平衡的，主要研究和設計通過母線電壓來反應能源利用情況的方法，篩選出最為科學合理的控制方案以便達到理想的節能效果。

圖1 電驅動拖拉機整機構架圖

電驅動拖拉機的動力傳遞為：首先是發電機利用化石能源將化學能轉化為電能輸出，由于輸出的是三相交流電所以需要對其進行整流，將電能變為直流電，再利用逆變器將直流電轉化為交流電，但是在轉化的過程中電能的頻率是可以調節的。將可調交流電輸出到電動機，通過電動機將電能轉化為機械能驅動車輪運動。這便是整個動力系統的轉化過程[2].

為了減少拖拉機在農田里作業時對土壤的壓力同時增加拖拉機的穩定性，一般將其設計為四驅，即用于驅動拖拉機輪子的4個電機還有用于轉向的電機等都是相互獨立的。其中直流母線的電壓是整個電驅動系統中極其重要的一個參數，其大小直接決定了發電機、馬達、逆變器等關鍵設備的電壓等級。整個系統的穩定性、安全性與母線電壓的穩定有直接關系，母線電壓的輕微波動都能夠影響系統的穩定性。電驅動拖拉機的能量供應與需求能否在一定程度上達到協調與直流母線電壓是否平衡有直接關系。如果電壓降低表明供過于求，相反表明供小于求。

該系統將供電的直流母線電壓按照約翰迪爾7030E系列標準設置為230 V，根據標準要求在電源提供的電壓超出標準電壓120%時驅動電機以及相關器件都能夠穩定運行，同時當電源電壓為標準電壓的75%時電動機等驅動部件也能夠在一定時間內處在最大電流下運行。綜上所述，本文中直流母線穩定電壓的額定值需要保持在80%～120%.為了使該系統獲得更好的變頻調速效果，要求直流母線上的電壓必須穩定，發電機輸出電流和電壓是根據電動機的轉速需求來調節的。

2 電驅動拖拉機功率平衡控制

母線電壓是根據發動機轉速和工作狀況來調節的。整個系統的功率輸入都是由發動機提供的，所以其工作狀態是否節能直接關系到整個驅動系統的節能情況。

在控制電動機轉速時需要考慮3個方面的需求：1) 在一定轉速下電動機的輸出功率能夠滿足系統驅動的需要，具體的要求是要保證拖拉機不能發生熄火或者是高速飛車，這需要通過兩個方面來判斷：a) 需要將需求功率與電動機能夠提供的最大功率進行對比。b) 通過將需求的扭矩與電動機能夠提供的扭矩前后對比。2) 電動機能夠提供穩定的轉速還需要一定的時間。3) 在能夠滿足需求的條件下將發電機的燃燒率控制在比較經濟的區域。

因為電動機在接收到提速指令后需要經過一定的時間才能夠將轉速提升到設定值，這個提升的時間便是穩定時間。在這個時間段內電動機需要對其轉速進行調節。如果電動機不能在穩定時間內提供系統所需求的功率則會導致電動機熄火。

通過分析得出需要設計一條新的轉速-功率關系曲線參考電動機已有的速度曲線，將這條曲線作為調速的基準參考[3].

1) 調速曲線設計。

(1)

式中：

Pn_adj—當轉速達到n時的輸出功率，kW；

Pe—發動機現有的功率輸出，kW；

Pspa—電動機的備用功率，kW；

Te—電動機能夠提供的轉矩；

ne—電動機的轉速，r/min.

所有的參數中最為重要的是Pspa，如果取值太小，當負載突然增加時難以達到需求，電動機可能會發生熄火的現象；如果取值偏大則過于激進，會造成能源的不必要浪費。該系統中除了拖拉機需要電驅動外還涉及到噴霧泵以及地面阻力的不確定性，所以將參數Pspa預設為4 kW，后續根據實際應用情況實時調整參數值，直到達到理想狀況為止。轉速與功率關系曲線圖見圖2.

圖2 轉速與功率關系曲線圖

2) 調速方法。當負載所需的扭矩增大，而電動機當前轉速無法提供所需扭矩時便會發生電動機被拖死的狀況。電動機轉速和扭矩關系曲線圖見圖3. 由圖3可知，轉速在600～1 400 r/min時扭矩增加比較快，當轉速達到1 800 r/min時扭矩達到了最大，然后隨著轉速的增加扭矩開始逐漸減小。所以可以推斷出當轉速大于1 400 r/min時發生拖死現象的可能性更大。

圖3 電動機轉速和扭矩關系曲線圖

通過前面的分析可以得出另一種控制策略，即按照轉速來劃分備用功率。通過分析圖3中的關系曲線選擇以1 400 r/min的轉速為劃分分界點，利用式(2)來計算[4]：

(2)

式中：

Pspa_1、Pspa_2—備用功率，kW.

3 仿真試驗及分析

利用Matlab中的仿真模塊Simulink來建立兩種控制策略的模型，然后進行仿真對比。在測試中輸入負載功率[5].

簡單工況下兩種策略的工作狀態圖見圖4，圖5. 圖4，5可以體現出：實際轉速與轉速指令之間的關系；負載需求扭矩與電動機當前轉速下能夠提供的最大功率之間的關系；負載需求功率與電動機當前轉速下能夠提供的最大功率之間的關系。從圖4可以看出，即使整體上可以滿足功率的需求，但在9～12 s這段時間內，負載的功率與電動機能夠提供的最大功率基本相近，同時到達高速區域后穩定時間比較長，也就是從發出轉速指令到達到特定轉速需要的時間比較長，由0.5 s增加到了2.2 s. 而通過分析圖5中的曲線可以看出，第二種策略調速時間短，穩定性增加，但是節能性變差也是一個不可避免的缺點。

通過前面兩種策略的對比發現這兩種方法都符合系統要求，但是由于策略二備用功率大，功率利用率低，經濟效益差，所以從節能的方面考慮選擇策略一。

圖4 策略一的發動機工作狀態曲線圖

圖5 策略二的發動機工作狀態曲線圖

4 結 論

本文對電驅動拖拉機的結構和控制策略進行了介紹，分析了兩種功率控制策略的控制模型，隨后在Matlab的仿真工具Simulink中建立相應的模型并進行對比。結果是兩種控制策略都能夠滿足控制要求，但是出于節能以及經濟效益的考慮，選擇第一種控制策略。

參 考 文 獻

[1] 陳慶樟，劉仁鑫，李曉珍. 我國電動汽車的研究現狀及發展趨勢[J]. 江西農業大學學報，2003, 25(51)；163-167.

[2] 辛克偉，周宗祥，盧國良. 國內外電動汽車發展及前景預測[J]. 電力需求側管理，2008, 10(1)：75-77.

[3] 高輝松. 電動拖拉機驅動系統研究廠[D]. 南京:南京農業大學，2008.

[4] 黃 千，黃 英，張付軍，等. 履帶車輛電傳動發動機一發電機組及其控制策略研究廠[J].車輛與動力技術，2006, (2)：29-33.

[5] 張立偉，胡廣艷，游小杰，等.混合動力電動汽車中電力電子技術應用綜述[J]. 變頻器世界，2006, (10)：91-95.