武 崢

(西山煤電集團(tuán)公司 發(fā)電分公司，山西 太原 030053)

目前各國(guó)都在大力投入清潔能源車輛的研發(fā)與生產(chǎn)，有些已經(jīng)取得了顯著的效果。在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面越來(lái)越多地利用電驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力，最突出的便是電驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)，拖拉機(jī)在田地里工作的特點(diǎn)是：阻力大、工作負(fù)荷不穩(wěn)定、容易受到不可控制功率的影響，在這種情況下傳統(tǒng)的拖拉機(jī)相對(duì)于電驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)便突顯了其缺點(diǎn)。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠在一定程度上減少負(fù)載變化時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的沖擊，主要是由于系統(tǒng)中提供主要?jiǎng)恿Φ陌l(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是相互分離的，它們之間都是通過(guò)電能來(lái)耦合的。這種耦合關(guān)系使它們之間沒有直接的扭矩和轉(zhuǎn)速關(guān)系，只是單純的能量之間的耦合，所以電機(jī)以及電機(jī)控制系統(tǒng)便對(duì)拖拉機(jī)的動(dòng)力性能起到了決定性的作用。為了提高效率可以將電機(jī)控制在最佳狀態(tài)。最為關(guān)鍵的技術(shù)便是合理的控制系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)的核心便是功率平衡。目前我國(guó)對(duì)此研究還處于起步階段，本文基于此選擇以電驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)的功率平衡為研究對(duì)象，提出合理的控制策略[1].

1 電驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)整機(jī)構(gòu)架

電驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)整機(jī)構(gòu)架圖見圖1. 從圖1可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)是組成整個(gè)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的主要部分。該系統(tǒng)是利用交-直-交策略來(lái)控制功率平衡的，主要研究和設(shè)計(jì)通過(guò)母線電壓來(lái)反應(yīng)能源利用情況的方法，篩選出最為科學(xué)合理的控制方案以便達(dá)到理想的節(jié)能效果。

圖1 電驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)整機(jī)構(gòu)架圖

電驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)的動(dòng)力傳遞為：首先是發(fā)電機(jī)利用化石能源將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能輸出，由于輸出的是三相交流電所以需要對(duì)其進(jìn)行整流，將電能變?yōu)橹绷麟姡倮媚孀兤鲗⒅绷麟娹D(zhuǎn)化為交流電，但是在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中電能的頻率是可以調(diào)節(jié)的。將可調(diào)交流電輸出到電動(dòng)機(jī)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)。這便是整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化過(guò)程[2].

為了減少拖拉機(jī)在農(nóng)田里作業(yè)時(shí)對(duì)土壤的壓力同時(shí)增加拖拉機(jī)的穩(wěn)定性，一般將其設(shè)計(jì)為四驅(qū)，即用于驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)輪子的4個(gè)電機(jī)還有用于轉(zhuǎn)向的電機(jī)等都是相互獨(dú)立的。其中直流母線的電壓是整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中極其重要的一個(gè)參數(shù)，其大小直接決定了發(fā)電機(jī)、馬達(dá)、逆變器等關(guān)鍵設(shè)備的電壓等級(jí)。整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性與母線電壓的穩(wěn)定有直接關(guān)系，母線電壓的輕微波動(dòng)都能夠影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)的能量供應(yīng)與需求能否在一定程度上達(dá)到協(xié)調(diào)與直流母線電壓是否平衡有直接關(guān)系。如果電壓降低表明供過(guò)于求，相反表明供小于求。

該系統(tǒng)將供電的直流母線電壓按照約翰迪爾7030E系列標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為230 V，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求在電源提供的電壓超出標(biāo)準(zhǔn)電壓120%時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及相關(guān)器件都能夠穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)當(dāng)電源電壓為標(biāo)準(zhǔn)電壓的75%時(shí)電動(dòng)機(jī)等驅(qū)動(dòng)部件也能夠在一定時(shí)間內(nèi)處在最大電流下運(yùn)行。綜上所述，本文中直流母線穩(wěn)定電壓的額定值需要保持在80%～120%.為了使該系統(tǒng)獲得更好的變頻調(diào)速效果，要求直流母線上的電壓必須穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)輸出電流和電壓是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速需求來(lái)調(diào)節(jié)的。

2 電驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)功率平衡控制

母線電壓是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和工作狀況來(lái)調(diào)節(jié)的。整個(gè)系統(tǒng)的功率輸入都是由發(fā)動(dòng)機(jī)提供的，所以其工作狀態(tài)是否節(jié)能直接關(guān)系到整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能情況。

在控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)需要考慮3個(gè)方面的需求：1) 在一定轉(zhuǎn)速下電動(dòng)機(jī)的輸出功率能夠滿足系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的需要，具體的要求是要保證拖拉機(jī)不能發(fā)生熄火或者是高速飛車，這需要通過(guò)兩個(gè)方面來(lái)判斷：a) 需要將需求功率與電動(dòng)機(jī)能夠提供的最大功率進(jìn)行對(duì)比。b) 通過(guò)將需求的扭矩與電動(dòng)機(jī)能夠提供的扭矩前后對(duì)比。2) 電動(dòng)機(jī)能夠提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速還需要一定的時(shí)間。3) 在能夠滿足需求的條件下將發(fā)電機(jī)的燃燒率控制在比較經(jīng)濟(jì)的區(qū)域。

因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在接收到提速指令后需要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間才能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速提升到設(shè)定值，這個(gè)提升的時(shí)間便是穩(wěn)定時(shí)間。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)電動(dòng)機(jī)需要對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。如果電動(dòng)機(jī)不能在穩(wěn)定時(shí)間內(nèi)提供系統(tǒng)所需求的功率則會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)熄火。

通過(guò)分析得出需要設(shè)計(jì)一條新的轉(zhuǎn)速-功率關(guān)系曲線參考電動(dòng)機(jī)已有的速度曲線，將這條曲線作為調(diào)速的基準(zhǔn)參考[3].

1) 調(diào)速曲線設(shè)計(jì)。

(1)

式中：

Pn_adj—當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到n時(shí)的輸出功率，kW；

Pe—發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有的功率輸出，kW；

Pspa—電動(dòng)機(jī)的備用功率，kW；

Te—電動(dòng)機(jī)能夠提供的轉(zhuǎn)矩；

ne—電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min.

所有的參數(shù)中最為重要的是Pspa，如果取值太小，當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí)難以達(dá)到需求，電動(dòng)機(jī)可能會(huì)發(fā)生熄火的現(xiàn)象；如果取值偏大則過(guò)于激進(jìn)，會(huì)造成能源的不必要浪費(fèi)。該系統(tǒng)中除了拖拉機(jī)需要電驅(qū)動(dòng)外還涉及到噴霧泵以及地面阻力的不確定性，所以將參數(shù)Pspa預(yù)設(shè)為4 kW，后續(xù)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)值，直到達(dá)到理想狀況為止。轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系曲線圖見圖2.

圖2 轉(zhuǎn)速與功率關(guān)系曲線圖

2) 調(diào)速方法。當(dāng)負(fù)載所需的扭矩增大，而電動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速無(wú)法提供所需扭矩時(shí)便會(huì)發(fā)生電動(dòng)機(jī)被拖死的狀況。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩關(guān)系曲線圖見圖3. 由圖3可知，轉(zhuǎn)速在600～1 400 r/min時(shí)扭矩增加比較快，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 800 r/min時(shí)扭矩達(dá)到了最大，然后隨著轉(zhuǎn)速的增加扭矩開始逐漸減小。所以可以推斷出當(dāng)轉(zhuǎn)速大于1 400 r/min時(shí)發(fā)生拖死現(xiàn)象的可能性更大。

圖3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩關(guān)系曲線圖

通過(guò)前面的分析可以得出另一種控制策略，即按照轉(zhuǎn)速來(lái)劃分備用功率。通過(guò)分析圖3中的關(guān)系曲線選擇以1 400 r/min的轉(zhuǎn)速為劃分分界點(diǎn)，利用式(2)來(lái)計(jì)算[4]：

(2)

式中：

Pspa_1、Pspa_2—備用功率，kW.

3 仿真試驗(yàn)及分析

利用Matlab中的仿真模塊Simulink來(lái)建立兩種控制策略的模型，然后進(jìn)行仿真對(duì)比。在測(cè)試中輸入負(fù)載功率[5].

簡(jiǎn)單工況下兩種策略的工作狀態(tài)圖見圖4，圖5. 圖4，5可以體現(xiàn)出：實(shí)際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速指令之間的關(guān)系；負(fù)載需求扭矩與電動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下能夠提供的最大功率之間的關(guān)系；負(fù)載需求功率與電動(dòng)機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速下能夠提供的最大功率之間的關(guān)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(shí)間內(nèi)，負(fù)載的功率與電動(dòng)機(jī)能夠提供的最大功率基本相近，同時(shí)到達(dá)高速區(qū)域后穩(wěn)定時(shí)間比較長(zhǎng)，也就是從發(fā)出轉(zhuǎn)速指令到達(dá)到特定轉(zhuǎn)速需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，由0.5 s增加到了2.2 s. 而通過(guò)分析圖5中的曲線可以看出，第二種策略調(diào)速時(shí)間短，穩(wěn)定性增加，但是節(jié)能性變差也是一個(gè)不可避免的缺點(diǎn)。

通過(guò)前面兩種策略的對(duì)比發(fā)現(xiàn)這兩種方法都符合系統(tǒng)要求，但是由于策略二備用功率大，功率利用率低，經(jīng)濟(jì)效益差，所以從節(jié)能的方面考慮選擇策略一。

圖4 策略一的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)曲線圖

圖5 策略二的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)曲線圖

4 結(jié) 論

本文對(duì)電驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)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(yīng)的模型并進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果是兩種控制策略都能夠滿足控制要求，但是出于節(jié)能以及經(jīng)濟(jì)效益的考慮，選擇第一種控制策略。

參 考 文 獻(xiàn)

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