祝龍記 王 琦

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001）

目前，常見的礦用蓄電池直流電機(jī)車，需用吊車將蓄電池調(diào)離車體至專用機(jī)房進(jìn)行充電，還需準(zhǔn)備2～3套備用電池，降低了其管理效率。因此，對電機(jī)進(jìn)行重構(gòu)，使其可以直接連接電源進(jìn)行充電，可以提高電機(jī)車的經(jīng)濟(jì)性和管理效率。鉛酸蓄電池功率密度較低，無法滿足電機(jī)車較高的動力要求，但其成本低、能量密度高、控制技術(shù)較為成熟。所以本研究在其基礎(chǔ)上加入壽命長、功率密度較高、充放電性能優(yōu)越的超級電容共同作為儲能裝置。在動力方面，礦用電機(jī)車常用的直流電機(jī)牽引性能良好，起動轉(zhuǎn)矩較大，但串電阻啟動會浪費(fèi)大量的電能。而永磁同步電機(jī)體積小、能耗低、調(diào)節(jié)精度高，可以替代直流電動機(jī)。

在電動汽車領(lǐng)域，關(guān)于充電與驅(qū)動的一體化已經(jīng)有了一些研究成果［1-6］。其中，文獻(xiàn)［1］將永磁同步電機(jī)定子繞組進(jìn)行等效，使其可在充電時用作旋轉(zhuǎn)變壓器；文獻(xiàn)［2］三相六繞組的電機(jī)在充電時可以進(jìn)行繞組重構(gòu)，變成隔離變壓器；文獻(xiàn)［3］電路添加了變壓器和阻尼器，增加了成本和操作的難度；文獻(xiàn)［4］中，使用了開關(guān)磁阻電機(jī)，會產(chǎn)生較大的噪聲轉(zhuǎn)矩脈動。

本研究提出一種蓄電池—超級電容作為儲能裝置，異構(gòu)永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動裝置的新型礦用電機(jī)車混合充電驅(qū)動一體化電路，研究了該一體化電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，最后用仿真波形驗證了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性。

1 混合充電與驅(qū)動一體化電路結(jié)構(gòu)及工作過程

本研究提出的新型礦用電機(jī)車混合充電驅(qū)動一體化電路如圖1所示。其中，Vb為蓄電池，Sc為超級電容，Q1～Q4為儲能裝置功率分配開關(guān)管，Q5、Q6、D1、D2以及L組成雙向DC/DC電路，C是濾波穩(wěn)壓電容，Q7～Q12組成三相變換器，在驅(qū)動模式下作為逆變器使用，在充電模式和回饋模式下作為整流器使用。La～Lc及為永磁同步電機(jī)繞組。

電路工作在驅(qū)動模式下的電路圖如圖1（a）所示。電機(jī)車加速時，電能由超級電容提供，即Q4導(dǎo)通，Q1、Q2、Q3關(guān)斷。當(dāng)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時，電能由蓄電池提供即Q2導(dǎo)通，Q1、Q3、Q4關(guān)斷。儲能裝置提供的直流電先經(jīng)雙向DC/DC變換器升壓，再經(jīng)三相變換器進(jìn)行逆變，最后產(chǎn)生交流電用于永磁同步電機(jī)的驅(qū)動［7］。

電路工作在充電模式下的電路圖如圖1（b）所示。電機(jī)車充電時，電機(jī)經(jīng)繞組重構(gòu)形成的變壓器原邊連接到三相電網(wǎng)，電網(wǎng)提供的三相電經(jīng)過電機(jī)處理后（作用相當(dāng)于變比為1的變壓器），先由三相變換器整流成直流電，再由雙向DC/DC變換器降壓，最后供給儲能裝置。其中，因為超級電容充電較快，所以優(yōu)先對超級電容進(jìn)行充電，即Q3導(dǎo)通，Q1、Q2、Q4關(guān)斷，當(dāng)超級電容充滿后再給蓄電池充電，即Q1導(dǎo)通，Q2、Q3、Q4關(guān)斷。

電路工作在回饋模式下的電路圖與圖1（a）相同。電機(jī)車減速或制動時，永磁同步電機(jī)做發(fā)電機(jī)使用將電能回饋到超級電容，實現(xiàn)電機(jī)車的續(xù)航能力的增強(qiáng)。

當(dāng)電機(jī)車進(jìn)行驅(qū)動與充電模式切換時，電機(jī)車永磁同步電機(jī)的三相繞組會進(jìn)行重構(gòu)。以從驅(qū)動模式到充電模式的切換為例，A相的繞組與La繞組從1'、2'處斷開，B相的繞組與Lb繞組從 3'、4'處斷開，C相的繞組與Lc繞組從5'、6'處斷開。1、3、5分別連接到三相變換器的交流側(cè)，2、4、6連接在一起作為變壓器副邊的中點；2'、4'、6'分別連接到三相電網(wǎng)，1'、3'、5'連接在一起作為變壓器原邊的中點，將永磁同步電動機(jī)的三機(jī)定子繞組重構(gòu)成三相隔離變壓器，此時永磁同步電機(jī)、三相變換器重構(gòu)成了蓄電池儲能裝置的充電電路，三相變換器工作于PWM整流狀態(tài)。電機(jī)車工作于停車充電模式，三相變換器工作于PWM整流模式，給儲能裝置充電。

2 電機(jī)工作過程的分析

2.1 電機(jī)驅(qū)動過程的分析

當(dāng)電機(jī)處于驅(qū)動模式時，電機(jī)繞組的結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子為兩極，定子為六繞組，其中繞組電感為A相繞組、為B相繞組為C相繞組。電機(jī)的A、B、C三相繞組在定子上角度互差120°，其截面圖如圖2（b）所示。

電機(jī)的三相六繞組在驅(qū)動模式下為2組相同的三相繞組，即La、Lb、Lc為第1組為第2組，且同相的2繞組間無相位差。當(dāng)混合儲能裝置提供的直流電經(jīng)雙向DC/DC變換器和三相變換器后得到的階梯電壓近似呈標(biāo)準(zhǔn)正弦時，對六繞組電機(jī)進(jìn)行建模，并在dqo坐標(biāo)下再進(jìn)行分析?？梢远x變換后的定子電流矩陣、變換后的定子電壓矩陣、變換后的定子磁鏈矩陣為：

其中，字母d、q和o分別表示變量在doq坐標(biāo)下的直接分量、交軸分量和零分量；而d、q、o的下標(biāo)1、2代表繞所屬組數(shù)。此外，因為電機(jī)三相分量對稱，所以o軸分量數(shù)值為0，于是可以得到如下變換后的電壓和磁鏈方程：

式中，ωr為電角速度；Ψf為永磁體基波磁場在定子繞組中產(chǎn)生的磁鏈；Ld和Lq為直軸交軸繞組的自感，Md和Mq為交軸繞組互感。又因為永磁同步電機(jī)的直軸電感Ld與交軸電感Lq相等，所以可以得到三相六繞組永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為［2］：

CT檢查采用GE optimo660型64排CT掃描儀,檢查前囑患者口服500ml溫水充盈胃腸道,15min后檢查?；颊呷⊙雠P位,常規(guī)平掃,掃描參數(shù):管電流22m As,管電壓120kv,層間距和層厚均為5mm。掃描范圍:自患者右側(cè)隔頂掃描至胰腺鉤突下方,可根據(jù)患者實際情況調(diào)整,掃描后經(jīng)工作站重建圖像,并根據(jù)膽管走向?qū)嵤┣嬷亟ā?/p>

經(jīng)以上分析可得，儲能裝置開始供電后，電機(jī)正常運(yùn)行，并產(chǎn)生式（10）大小的電磁轉(zhuǎn)矩用于電機(jī)車的驅(qū)動。

2.2 電機(jī)充電過程的分析

當(dāng)從驅(qū)動模式切換到充電模式時，待電機(jī)停止后定子繞組進(jìn)行重構(gòu)，形成圖3（a）所示結(jié)構(gòu)。然后定子繞組電感形成變壓器的原邊繞組，定子繞組電感La、Lb與Lc形成的變壓器副邊繞組。當(dāng)原邊繞組連接到電網(wǎng)交流電壓ua、ub、uc時，副邊繞組La、Lb與Lc便會分別感應(yīng)出一個三相對稱且角度互差120°電壓，于是可以得到公式：

式中，f為原邊通入三相電壓的頻率；Φm為通入三相電壓產(chǎn)生的磁通；N1和N2分別為原副邊繞組的匝數(shù)；U1和U2分別為原副邊的電壓。由于原副邊繞組匝數(shù)相同，在理想情況下，原副邊電壓相等，即電機(jī)在充電模式下作用相當(dāng)于變比為1的變壓器。

電機(jī)連入電網(wǎng)后，定子每相繞組電感都會在其周圍產(chǎn)生磁場。下面就充電時產(chǎn)生的磁場對電機(jī)轉(zhuǎn)子的影響進(jìn)行分析。

（1）整體上，電機(jī)定子上的變壓器原、副邊繞組沿圓周呈對稱分布且匝數(shù)、材料完全相同，那么在通電后會在空間形成三相對稱的磁場。此外，電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體材料完全相同且分布對稱。

（2）局部上，以A相為例，假設(shè)La繞組1端電流流向紙外，2端電流流向紙內(nèi)，那么La'繞組1'端電流流向紙外，2'端電流流向紙內(nèi)，根據(jù)右手定則，A相定子繞組形成磁場如圖3（b）所示。由圖3可知，S極與A軸正方向重合。

所以1、2端和1'、2'端產(chǎn)生的空間磁場在其上產(chǎn)生的作用力大小相等、方向相反，永磁體此時受力平衡，轉(zhuǎn)子上沒有轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子靜止。同理，當(dāng)B相與C相通電時，轉(zhuǎn)子也保持靜止。所以，電機(jī)工作在充電模式下時作靜止變壓器使用。

3 雙向DC/DC電路充電控制策略

本研究提出的礦用電機(jī)車混合充電驅(qū)動一體化電路可以工作于充電、驅(qū)動與能量回饋3種模式。其中，充電模式下雙向DC/DC變換器采用先恒流后恒功率的充電策略［8］，驅(qū)動和反饋模式下雙向DC/DC變換器均采用雙閉環(huán)控制策略［9］，下面對充電時的控制策略進(jìn)行分析。

當(dāng)電路處于充電模式或驅(qū)動模式的回饋過程時，為保證儲能裝置充電的安全，控制開關(guān)管Q5一直處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管D2由于能量流向，也處于截止?fàn)顟B(tài)，其余元件形成降壓電路。根據(jù)公式：

式中，U0為混合儲能裝置輸出的的電壓；D為占空比；Udc為直流電壓。

本電路采用恒定大電流轉(zhuǎn)恒定功率的分段充電方法，當(dāng)正在進(jìn)行充電的儲能裝置電量在80%以下時，采用恒定的大電流充電策略，當(dāng)電量超過這個值，則切換控制策略為恒功率充電策略，其控制框圖如圖4所示。其中，Pse為充電功率，use為充電時的儲能裝置的端電壓，SOC（%）為正在處于充電狀態(tài)的儲能裝置的電量，iref為給定的充電電流，Pref為給定的充電功率。先將儲能裝置給定的充電電流和充電功率分別與實際電流和功率做差，再將得到的誤差信號經(jīng)PI調(diào)節(jié)器、限幅與PWM發(fā)生器處理，得到PWM-Q6的控制脈沖，用于開關(guān)管Q6的控制，實現(xiàn)儲能裝置的恒流或恒功率充電。

4 仿真實驗及分析

基于以上對新型礦用電機(jī)車混合充電與驅(qū)動一體化電路分析，在MATLAB/Simulink環(huán)境下分別搭建了充電與驅(qū)動的控制系統(tǒng)仿真模型。

當(dāng)電路切換到充電模式后，電機(jī)繞組重構(gòu)作變壓器使用，其原邊連接到電網(wǎng)后，三相交流電先經(jīng)變壓器變換，再經(jīng)三相變換器整流，最后經(jīng)雙向DC/DC變換器降壓給超級電容充電，當(dāng)超級電容充滿后再給蓄電池充電，形成波形圖如5所示。

由圖5可知，連接電源后0～0.5 s，三相變換器直流側(cè)的電壓不穩(wěn)定，為避免對儲能裝置造成損傷，儲能裝置控制開關(guān)全部關(guān)閉。0.5～2.2 s，超級電容進(jìn)行恒流充電，電量快速上升。當(dāng)電量到達(dá)80%后，2.2～4.5 s超級電容進(jìn)行恒功率充電，電量上升變緩。4.5 s后，電量達(dá)到100%，超級電容充電結(jié)束，開始蓄電池的充電過程。

當(dāng)電路切換到驅(qū)動模式后，電機(jī)車加速所需電能由超級電容提供，平穩(wěn)運(yùn)行所需電能由蓄電池提供。若電機(jī)車減速或制動，電動機(jī)做發(fā)電機(jī)使用，向超級電容回饋電能，以延長電機(jī)車的續(xù)航時間，形成波形圖如6所示。

由圖6可知，0～2 s和6.5～7 s內(nèi)，電機(jī)車加速，電能由超級電容提供，其電量下降，蓄電池電量不變，電機(jī)車的加速時間短，驅(qū)動性能明顯改善。2～4 s、4.5～6.5 s和7～8 s內(nèi)，電機(jī)車平穩(wěn)運(yùn)行，電能由蓄電池提供，其電量下降，超級電容電量不變。4～4.5 s和8～10 s內(nèi)，電機(jī)車減速，永磁同步電機(jī)回饋電能，超級電容電量上升，蓄電池電量不變。

5 結(jié)語

本研究提出一種基于繞組重構(gòu)永磁同步電機(jī)的新型的一體化電路，用蓄電池和超級電容混合儲能裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蓄電池裝置。三相變換器與雙向DC/DC電路串聯(lián)電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相控整流電路。用異構(gòu)永磁同步電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電機(jī)，模式切換時繞組進(jìn)行重構(gòu)，可作為電機(jī)或變壓器使用。并對此電路拓?fù)溥M(jìn)行了理論分析和仿真驗證，確認(rèn)了其可行性，并根據(jù)結(jié)果得出此電路可以有效地提高電機(jī)車的驅(qū)動性能和續(xù)航能力。