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        單相集成車載充電器的充電控制

        2018-09-05 12:44:54劉陵順葛寶川呂興賀孔德彪
        微特電機(jī) 2018年8期
        關(guān)鍵詞:充電器單相同步電機(jī)

        劉陵順,葛寶川,呂興賀,孔德彪

        (1.海軍航空工程學(xué)院,煙臺(tái) 264001;2.中國(guó)人民解放軍92950部隊(duì),葫蘆島 125100)

        0 引 言

        近年來(lái),隨著環(huán)境污染和能源問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重,以清潔、無(wú)污染的能源——電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車發(fā)展越來(lái)越快,應(yīng)用也越來(lái)越普及[1-4]。在電動(dòng)汽車中,傳動(dòng)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)不能同時(shí)工作。當(dāng)充電系統(tǒng)工作時(shí),傳動(dòng)系統(tǒng)的電力電子設(shè)備(主要是電機(jī)和變流器)可以集成到充電系統(tǒng)中,以達(dá)到減少使用的電力電子設(shè)備的目的。將三相電機(jī)集成到充電系統(tǒng)中時(shí),為使電機(jī)在充電過(guò)程中靜止不轉(zhuǎn),需要添加額外的設(shè)備[5]或者對(duì)電機(jī)實(shí)行機(jī)械鎖定[6]。將多相電機(jī)集成到充電系統(tǒng)中時(shí),依據(jù)多相電機(jī)多個(gè)自由平面的性質(zhì),無(wú)需額外操作即可實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程中電機(jī)靜止不轉(zhuǎn)[7-10]。相比較而言,基于多相電機(jī)的集成充電器比基于三相電機(jī)的集成充電器更加節(jié)約成本、占有更少車內(nèi)空間。文獻(xiàn)[7]提出一種基于多相電機(jī)的單相集成車載充電器,將電動(dòng)汽車的充電過(guò)程和驅(qū)動(dòng)過(guò)程集成,減少了電力電子器件的使用。以非對(duì)稱九相感應(yīng)電機(jī)、對(duì)稱和非對(duì)稱六相感應(yīng)電機(jī)、五相感應(yīng)電機(jī)為例,分析了充電過(guò)程中多相電機(jī)靜止不轉(zhuǎn)的原理,以比例諧振控制的控制方案實(shí)現(xiàn)對(duì)基于多相電機(jī)的單相車載集成充電器的充電過(guò)程的控制。

        本文主要研究基于六相永磁同步電機(jī)(雙Y移30°永磁同步電機(jī))的單相集成車載充電器充電過(guò)程的單位功率因數(shù)控制方案,將電機(jī)2個(gè)三相繞組中同相位的電流分別移相和坐標(biāo)變換,使電流的有功分量和無(wú)功分量分開(kāi),再通過(guò)PI控制使無(wú)功分量趨于0,實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程的單位功率因數(shù)運(yùn)行。

        1 基于六相永磁同步電機(jī)的單相集成車載充電器的理論分析

        基于六相永磁同步電機(jī)的單相集成車載充電器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。在充電過(guò)程中,單相電網(wǎng)的2個(gè)網(wǎng)端連接到電機(jī)的2個(gè)中性點(diǎn)上。電機(jī)6個(gè)相的電阻和電感均相同,連接到三相繞組的3個(gè)變流器橋臂同時(shí)控制。

        圖1 基于六相永磁同步電機(jī)的單相集成車載充電器

        六相永磁同步電機(jī)在該單相充電器的充電過(guò)程中靜止不轉(zhuǎn)的原理[7]分析如下:

        對(duì)電機(jī)的定子繞組進(jìn)行解耦變換,可得矩陣[11]:

        (1)

        式(1)中的矩陣由3個(gè)平面組成,分別是α-β平面(第一行和第二行),x-y平面(第三行和第四行)和o1-o2平面(第五行和第六行)。其中,α-β平面是電機(jī)定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的平面,x-y平面是諧波平面,o1-o2平面是零序平面。由式(1)可得,α-β平面與x-y平面的解耦變換方程:

        (2)

        當(dāng)單相電網(wǎng)給充電器供電時(shí),電機(jī)的六相中通過(guò)的電流關(guān)系如下:

        (3)

        給定電網(wǎng)電流如下:

        (4)

        將式(2)~式(4)聯(lián)立,可得:

        (5)

        由式(5)可知,在該充電過(guò)程中,電機(jī)定子α-β平面上沒(méi)有產(chǎn)生磁場(chǎng),即電機(jī)靜止不轉(zhuǎn)。此時(shí),電機(jī)定子只相當(dāng)于一個(gè)電感的作用。

        2 控制策略

        本文采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法。在實(shí)際電網(wǎng)中,由于輸配電變壓器飽和、非線性負(fù)載元件上產(chǎn)生諧波電流等原因,使得電網(wǎng)輸出電壓發(fā)生畸變,含有了無(wú)功分量[12]。為了防止電網(wǎng)中的無(wú)功分量輸入到充電過(guò)程,采用單位功率因數(shù)控制策略,控制框圖如圖2所示。

        圖2 充電過(guò)程的單位功率因數(shù)控制策略

        2.1 電壓外環(huán)設(shè)計(jì)

        2.2 電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)

        同理,對(duì)XYZ三相繞組上的電流進(jìn)行上述操作,可得同相位的相電壓KuX,KuY,KuZ。

        2.2.1 電流移相環(huán)節(jié)系數(shù)的確定

        電流移相環(huán)節(jié)使三相繞組的相電流由同相位移動(dòng)到為兩兩互差120°的過(guò)程,如圖3所示。

        圖3 電流相位變化圖

        三相繞組中的相電流移相后,其線電流會(huì)發(fā)生變化。設(shè)變化前后的功率分別為P1和P2,計(jì)算公式如下:

        (6)

        (7)

        依據(jù)功率不變的原則,有:

        P1=P2

        (8)

        將式(6)和式(7)代式入(8)可得電流移相環(huán)系數(shù):

        2.2.2 電壓移相環(huán)節(jié)系數(shù)的確定

        電壓移相環(huán)節(jié)是將電壓由兩兩互差120°變化為同相位的過(guò)程,如圖4所示。

        圖4 相電壓相位變化圖

        電壓經(jīng)過(guò)移相環(huán)節(jié),線電壓會(huì)發(fā)生變化。設(shè)變化前后的功率分別為P3和P4,計(jì)算公式如下:

        (9)

        (10)

        依據(jù)功率不變的原則,有:

        P3=P4

        (11)

        將式(9)和式(10)代入式(11)可得電壓移相環(huán)系數(shù):

        3 仿真及分析

        3.1 仿真模型

        在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型,如圖5所示。圖5中,交流電源為給定的單相電網(wǎng),電容為直流側(cè)濾波電容,電阻為蓄電池等效電阻。仿真過(guò)程中,將測(cè)量器測(cè)得的直流側(cè)電壓、單相電網(wǎng)電壓和電機(jī)的6個(gè)相電流輸入到控制系統(tǒng)中,得到電機(jī)相電壓;再將相電壓輸入PWM模塊中,得到變流器上12個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)信號(hào),控制開(kāi)關(guān)管的通斷,完成充電器的充電控制。

        圖5 仿真模型

        3.2 仿真結(jié)果及分析

        交流側(cè)電壓Ug,電流ig的波形和直流側(cè)電壓udc的波形如圖6和圖7所示。

        在圖6中,交流側(cè)電壓Ug和交流側(cè)電流ig相位相同,所以充電器充電過(guò)程中,交流側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行。

        圖6 交流側(cè)電壓Ug,電流ig的波形圖

        圖7 直流側(cè)電壓udc的波形圖

        充電器的充電過(guò)程中,必須使直流側(cè)電壓udc穩(wěn)定在給定值。由圖7可知,充電器充電過(guò)程中,直流側(cè)電壓udc穩(wěn)定在給定的直流參考電壓500 V附近。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文介紹了基于六相永磁同步電機(jī)的單相集成車載充電器系統(tǒng)的充電過(guò)程,分析了該充電器充電過(guò)程中電機(jī)靜止不轉(zhuǎn)的原理。通過(guò)移相和坐標(biāo)變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流有功分量和無(wú)功分量,將無(wú)功分量參考值設(shè)為0,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。仿真結(jié)果證明單位功率因數(shù)控制策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電器充電過(guò)程的控制。

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