文良浩，張 瑜

（南車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

從20世紀80年代以來，研制一種全電動的戰(zhàn)斗車輛，一直是戰(zhàn)車工業(yè)界不懈追求的夢想。簡單地說，全電動戰(zhàn)斗車輛的定義，就是戰(zhàn)車上的武器裝備、防護裝甲和駕駛系統(tǒng)都是依靠電力驅(qū)動和維持的。盡管現(xiàn)有的科技發(fā)展水平離這樣的總體目標還有較長一段距離．但在某些領(lǐng)域已經(jīng)取得了可喜的突破[1]。特別是混合電氣傳動技術(shù)，在最近10年有了長足的發(fā)展，很多國家都把這項新技術(shù)用在現(xiàn)役或正在研制中的戰(zhàn)斗車輛上[2~7]。

混合電氣傳動技術(shù)的主要目的，是為了提升未來裝甲車輛的操縱性能和機動性能，減少對大功率發(fā)動機的依賴。眾所周知，未來的裝甲車輛將越來越多地使用電子化、信息化的裝備，比如先進的傳感器、搜索雷達，甚至電磁炮等，這些都意味著機械化部隊的作戰(zhàn)將更加依靠電力的支撐。由于采用混合電氣傳動技術(shù)的戰(zhàn)車，使用了大功率的發(fā)電機和蓄電池組，使得這些車輛在戰(zhàn)時能成為機械化部隊的移動電源。但有限的空間與對電源需求的多樣性和故障狀態(tài)下的生存能力的矛盾，又要求兵車具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功能齊全的電力系統(tǒng)，這就為基于矩陣式變換器多驅(qū)動結(jié)合混合電氣傳動系統(tǒng)，提供了一個廣闊的應用平臺。

交直交矩陣變換器整流部分，是一個矩陣式的高頻整流器，其開關(guān)工作頻率高，具有矢量可自由組合、單位輸入功率因數(shù)、輸出電壓可調(diào)且波形好的特點。系統(tǒng)采用一個帶直流母線的整流器，直流輸出脈動小，整體體積小，成本低，所連接的多路PWM逆變器，使輸出交流電的波形接近正弦波，能夠滿足車輛上各種高精儀器設(shè)備的用電要求，適合各種車輛、艦艇等空間狹小的應用場合。

1 拓撲電路

矩陣變換器分為交-交型和交-直-交型兩大類[8~13]。交-直-交型矩陣變換器的典型拓撲結(jié)構(gòu)是l8開關(guān)的電路，由整流和逆變兩部分組成。逆變部分是傳統(tǒng)三相PWM逆變器，由6開關(guān)器件組成，整流部分由3/2相矩陣變換器的l2開關(guān)器件組成。在直流母線上，并接多個逆變電路和直流電路，構(gòu)成一種新型的多驅(qū)動控制系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 多驅(qū)動混合電氣傳動系統(tǒng)的拓撲電路

其中M1和M2分別作為左右兩側(cè)車輪的驅(qū)動，采用混合轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過改變車體兩側(cè)車輪的速度，在高速行駛的情況下實現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向[2]。

2 工作原理

2.1 問題的簡化

交-直-交型矩陣變換器，與傳統(tǒng)交-交型矩陣變換器有基本相同的輸入輸出性能，其分析方法也相似，因此可以采用傳統(tǒng)交-交型矩陣變換器的雙空間矢量PWM策略[14]。本文采用的控制策略，包括單位輸入功率因數(shù)的空間矢量調(diào)制的整流控制和輸出電壓空間矢量的逆變控制，這種控制策略簡單，并且適用于多驅(qū)動系統(tǒng)。為了簡化問題的分析，作如下假定：

（1）輸入側(cè)無LC濾波器。

（2）三相輸入電壓：

（3）負載1三相輸出電流：

（4）負載2三相輸出電流：

（5）兩個負載的功率因數(shù)角分別為準1、準2。

式（1）～式（3）中，

ωi是輸入電壓及電流的角頻率;

ω01、ω02分別是1、2路負載的輸出電壓及電流的角頻率；

φ01、φ02分別是 1、2 路負載 u 相輸出電流的初相角；

U1是輸入相電壓的最大幅值；

I01、I02分別是1、2路負載輸出相電流的最大幅值。

2.2 換流策略

矩陣變換器輸出側(cè)采用傳統(tǒng)的DC/AC逆變電路，輸入側(cè)換流方法有四步換流和直流零電流換流兩種[14~15]。由于存在蓄電池組，可能存在電流連續(xù)的情況，考慮到可靠性，輸入側(cè)以采用四步換流法為宜。

根據(jù)輸入電壓不能短路，輸出電路不能開路的原則，安全切換要求同一相輸出的任意2組開關(guān)不能同時導通，3組開關(guān)不能同時斷開。

由于器件的開通時間、關(guān)斷時間及驅(qū)動電路的時延都有差異，不能做到嚴格的同時切換。為了解決這個問題，N.Burany提出了四象限開關(guān)多步切換控制法，即四步換流策略，其過程如圖2所示。

圖2 四步換流法

1和2是同一輸出相的兩個雙向開關(guān)，1c和2c是開關(guān)1和2的正向開關(guān)，1nc和2nc是反向開關(guān)。假定電流方向為正向，現(xiàn)在要關(guān)斷開關(guān)1，開通開關(guān)2，要保證電流連續(xù)，又不能出現(xiàn)短路情況，共要經(jīng)過四步才能完成換流。

（1）關(guān)斷開關(guān)1的反向開關(guān)1nc，由于電流是正向流動，這一步不會帶來開關(guān)損耗；

（2）開通開關(guān)2的正向開關(guān)2c，打開2c后，如果開關(guān)2所連接的電壓高于開關(guān)1所連接的電壓，那么電流將自動換流到2c中；

（3）關(guān)斷開關(guān)1的正向開關(guān)1c，由于電流有一半的可能已經(jīng)換流到2c中了，所以1c的關(guān)斷有50%的可能性為零電流關(guān)斷；

（4）開通開關(guān)2的反向開關(guān)2nc。

這樣的四步換流策略，既禁止了電源發(fā)生短路的開關(guān)組合（1c和2nc，1nc和2c同時導通），又保證了在任意時刻給負載電流提供了至少一條流通路徑（1c或2c），且換流過程中有一半的可能性，實現(xiàn)軟開關(guān)中的零電流關(guān)斷，所以被稱為四步半軟開關(guān)換流法。

3 不同工作狀態(tài)下的控制策略

3.1 正常工作狀態(tài)

（1）空間矢量調(diào)制的PWM整流。三相輸入電壓可分為6個區(qū)間，每個區(qū)間三相電壓極性保持不變，其中一相電壓具有正或負的最大幅值[16~17]，如圖3所示。

圖3 一個周期內(nèi)三相輸入電壓的6個區(qū)間

將一個開關(guān)周期Ts分為兩部分，兩部分輸入側(cè)開關(guān)的組合是不同的。為了獲得最大輸出電壓和減小開關(guān)損耗，在每個區(qū)間內(nèi)都固定一相輸入電壓于直流正極p或負極n，如表1所示。

表1 輸入相電壓箝位表

下面以第5區(qū)間為例，說明單位輸入功率因數(shù)的PWM整流控制策略。由于c相固定直流正極p，在一個開關(guān)周期內(nèi)直流電壓udc分別為線電壓ucb和uca，因此在一個開關(guān)周期內(nèi)直流電壓平均值為：

其中，dcb、dca分別為ucb和uca在一個開關(guān)周期內(nèi)的導通率，即占空比。

為了獲得單位輸入功率因數(shù)，必須保證基波輸入電壓和輸入電流之間的同步關(guān)系：

由式(3)～式(7)可求得：

同理可求得在任意開關(guān)周期內(nèi)：

其中，

（2）空間矢量調(diào)制的SVPWM逆變控制。圖4中三相DC/AC逆變器共有6只功率開關(guān)，分別從正負母線接到三相輸出 A、B、C，開關(guān)標號為 SPA、SPB、SPC和SnA、SnB、SnC。

圖4 直-交變換

正常工作過程下，A、B、C三相各只有一個功率開關(guān)閉合。設(shè)輸入直流電壓為Udc、某一狀態(tài)為SPA、SnB、SnC閉合，則有 UAB=Udc、UBC=0、UCA=Udc，由空間矢量的定義和表達式得此時的線電壓U1空間矢量為圖5。

圖5 六邊形空間矢量

圖6 電壓空間矢量的調(diào)制

6只開關(guān)可能出現(xiàn)的不同組合列于表2，共有8種狀態(tài)，其對應的空間矢量如圖5所示，其中V1～V6是有效電壓矢量，矢量間的相位差為60°角。表2中的V7、V8稱為零矢量，即此時的輸出電壓為零。

表2 電壓矢量開關(guān)組合表

為了得到以勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，須采用脈寬調(diào)制法（SVPWM）來合成。圖6中VJ為要得到的某一瞬間的空間矢量，它落在六邊形矢量中的某個區(qū)內(nèi)，其相鄰兩矢量為VM和VN，VJ與VM的夾角為θJ。按空間矢量調(diào)制法，矢量VJ可以由VM和VN的分量組成：

式中，

TS為PWM周期；

V0為零矢量。

時間常數(shù)之比 TM/TS、TN/TS、TO/TS寫成占空比形式為

則式（11）改寫為

3.2 蓄電池組工作狀態(tài)

蓄電池有兩種工作狀態(tài)：

（1）在車輛啟動和低速狀態(tài)，能量從蓄電池流向電機M1、M2和柴油發(fā)電機，此時發(fā)電機可以不啟動，蓄電池組向逆變部分等提供直流電，相當于直流電源，通過SVPWM逆變控制，得到各種頻率和幅值的三相交流電，作為兵車動力系統(tǒng)的臨時電源，驅(qū)動M1和M2，使車輛利用蓄電池儲存的電能安靜地行駛，雖然速度不快，距離不長，但是卻具有現(xiàn)實的戰(zhàn)術(shù)意義；

（2）當發(fā)電機正常啟動時，矩陣式整流部分工作，向逆變部分等供電，同時蓄電池組處于充電狀態(tài)。蓄電池組的管理可以通過管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化管理[3]。

4 仿真及結(jié)果

4.1 系統(tǒng)仿真試驗

在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下，對圖1拓撲電路做了仿真實驗，變換器參數(shù)如下：

輸入部分：Uin=500 V，fin=50 Hz，Lf=200 μH，Cf=50μF。

輸出負載1為三相異步感應電機簡單模型：PN=37 300 W，UN=460V，fN=60Hz，Rs=0.087 Ω，L1=5.974 mH，調(diào)制系數(shù)K1=0.4；

輸出負載 2為阻感性負載：R2=100 Ω，L2=30 mH，out 2=40 Hz，調(diào)制系數(shù) K2=0.6；

調(diào)制頻率：8 kHz

負載電機在電動運行指令下運行，輸出功率為37.3 kW。

仿真結(jié)果如圖7所示。

（a）、（b）為矩陣式的整流直流電壓和電流波形；

（c）、（d）為負載1定子電流和轉(zhuǎn)子電流波形；

（e）為負載1啟動時的轉(zhuǎn)速波形；

（f）、（g）為逆變側(cè)采用空間矢量調(diào)制的線電壓和三相電流波形；

（h）為a相輸入電流和輸入電壓波形，由圖可見其輸入功率因數(shù)接近于1，由于濾波電容的作用，使輸入電流的相位略超前于輸入電壓。

圖7 多驅(qū)動系統(tǒng)仿真波形

4.2 輸出負載1的仿真

圖8 為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)（電機轉(zhuǎn)速1 000 r/min）時電磁轉(zhuǎn)矩波形。

圖8 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖9 為動態(tài)變化時定子磁鏈波形。

圖9 動態(tài)變化時定子磁鏈波形

圖10為動態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩，其中a為負載指令轉(zhuǎn)矩；圖b為負載轉(zhuǎn)矩變化電磁轉(zhuǎn)矩波形。

圖10 動態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩

圖11 為定子電流，其中圖11a為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)（電機轉(zhuǎn)速1 000 r/min）時定子電流波形；圖11b為負載轉(zhuǎn)矩按圖10a變化時定子電流波形。負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，定子電流能快速變化，并迅速回復到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖11 定子電流

5 結(jié)束語

本文針對電動戰(zhàn)斗車輛對電源要求高、空間有限的工況，提出了基于矩陣變換器的多驅(qū)動混合電氣傳動系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點：

（1）通過在3/2相矩陣整流器的直流側(cè)，連接多個逆變級，即多個逆變級共享一個整流級，從而減少了電力裝置設(shè)備的總質(zhì)量和體積，降低了系統(tǒng)成本；

（2）集成度高，輸入功率因數(shù)可調(diào)，能滿足戰(zhàn)斗車輛上的各種用電設(shè)備要求，提高整車電源系統(tǒng)的品質(zhì)；

（3）有利于提高戰(zhàn)斗車輛的機動性能和應變能力，為戰(zhàn)斗車輛實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)上的突破奠定良好的基礎(chǔ)。

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