自励异步发电机异步电动机串联型混合电动汽车系统*

盛洋波， 卢子广， 胡立坤， 廖一旭

(广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004)

0 引 言

考虑能源利用率以及目前技术可实行条件，发展混合电动汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)是发展新能源汽车的必经之路[1]。HEV可有效提高燃油的利用率，减少对环境的污染，符合我国目前所倡导的生态文明建设的国策。HEV的发电机和驱动电机一般采用笼型异步电机和永磁同步电机。随着汽车产业链的大规模发展，其电机容量达到数十千瓦，甚至高达上百千瓦，采用永磁同步电机严重受限于稀土资源的缺乏[2]，且稀土的伴生矿含有放射性元素，存在生态安全隐患。此外，永磁同步电机弱磁升速困难，在高温、震动或过负荷条件下易出现退磁现象，且高速运行故障时会产生过高绕组电压损坏变流器。因此，一些知名的HEV厂商，如雷诺、通用、奔驰、宝马等更倾向于采用笼型异步电机[3]。异步电机价格便宜、坚固耐用、结构简单，可显著提高HEV系统对恶劣环境的适应能力，是目前全球HEV电机的主流产品。

在HEV零部件技术中，发电机和电动机的控制系统最为关键。异步发电机通常需要在机端并接电容组成独立自励异步发电机[4](Self-Excited Induction Generator, SEIG)才能在HEV上独立供电，但SEIG不能有效维持其端电压，带载能力差。为保证供电质量，在SEIG机端并联PWM变流器，同时采用不依赖电机数学模型的SEIG端电压定向控制方法，可显著提高SEIG端电压的动静态性能，有效解决各种电能质量问题[5,6]。异步电动机(Induction Motor, IM)调速控制通常采用矢量控制和直接转矩控制。直接转矩控制在HEV低速运行时转矩脉动较大，不能满足低速运行时的稳定高转矩要求，且直接转矩控制无电流内环，存在过流危险[7]；矢量控制采用双闭环控制结构，将磁通和转矩解耦，可实现转矩的快速控制，满足HEV的高性能调速要求[8]。

本文针对采用异步电机的串联型HEV，给出HEV发电机工作模式下的系统结构，分别对SEIG侧变流器的矢量控制方法和IM侧变流器的矢量控制方法进行了分析设计，最后进行调速试验，给出了实时控制效果。

1 异步电机的数学模型

异步电机有电动和发电两种可逆运行状态，本文选取电动运行状态搭建数学模型，则在旋转dq坐标系下的磁链方程为

(1)

式中:ψsd、ψsq——定子磁链的d、q轴分量；

ψrd、ψrq——转子磁链的d、q轴分量；

isd、isq——定子电流的d、q轴分量；

ird、irq——转子电流的d、q轴分量；

Lm——互感；

Ls——定子自感；

Lr——转子自感。

dq坐标系下的电压方程为

(2)

式中:usd、usq——定子电压的d、q轴分量;

urd、urq——转子电压的d、q轴分量;

Rs、Rr——定子、转子的电阻；

ωdqs、ωdqr——定子、转子在dq坐标系的角速度；

p——微分算子。

电磁转矩方程为

(3)

式中：np——极对数。

2 HEV系统及控制结构

2.1 HEV系统结构

串联型HEV发电机工作模式下的系统结构如图1所示。它由供电系统和驱动系统组成。供电系统由发动机、SEIG和SEIG侧变流器组成。驱动系统由IM和IM侧变流器组成，两台变流器背靠背连接。

图1 串联型HEV发电机工作模式下的系统结构

图1中，供电系统变量和参数：uga、ugb、ugc为三相SEIG端电压，iga、igb、igc为SEIG侧变流器三相电流，ugdc为直流侧电压，C为励磁电容，L为滤波电感，CG为直流侧电容；驱动系统变量和参数：isa、isb、isc为异步电动机三相定子电流，CM为直流侧电感，usdc为直流侧电压，其中，usdc=ugdc=udc。

SEIG侧变流器的主要功能： 在HEV不同运行状态下稳定持续地为HEV驱动系统供电，同时维持SEIG端电压恒定。IM侧变流器的主要功能： 驱动IM工作，实现HEV不同运行状态下的高性能调速控制。

2.2 SEIG变流器控制结构

SEIG侧变流器的控制框图如图2所示。采用基于SEIG端电压定向的矢量控制方法，选取d轴方向为SEIG端电压矢量旋转方向，则变流器电流的d轴分量igd为有功分量，q轴分量igq为无功分量。

图2 SEIG侧变流器控制框图

在图2中，端电压峰值和定向角观测器模型如式(4)所示。

(4)

式中：ugα、ugβ——三相SEIG端电压经过Clarke变换后的两相静止坐标系α、β下的分量。

(5)

kgdp、kgdi、kgqp、kgqi——直流侧电压PI调节器和SEIG端电压峰值PI调节器的比例、积分系数。

(6)

式中,kgap、kgai、kgap、kgai、kgap、kgai为SEIG侧变流器三相电流PI调节器的比例、积分系数。

三相调制波经过SPWM调制后输出6路PWM脉冲，然后驱动SEIG侧变流器持续稳定地为处于不同运行状态下的HEV驱动系统供电。

2.3 IM侧变流器控制结构

IM侧变流器采用基于转子磁链定向的矢量控制方法，取d轴方向为转子磁链ψr方向，则由等式可得转子磁链方程为

(7)

由于d、q坐标系定向于转子磁链方向，则ωdqs等于转子磁链角速度ω1，ωdqr等于转差角速度ωs，而笼型异步电动机转子内部是短路的，转子电压在d、q轴上的分量urd=urq=0，则等式可简化为

(8)

由等式(7)和式(8)可得转子磁链ψr与定子电流励磁分量isd的关系为

(9)

式中:Tr——转子电磁时间常数。

由式(9)可知，转子磁链ψr仅由定子电流励磁分量isd决定，与转矩分量isq无关，说明isd和isq是解耦的。

将式(3)的转矩方程化为

(10)

由式(10)可知，若控制励磁分量isd保证转子磁链ψr不变，即可实现转矩分量isq对电磁转矩Te的快速控制，从而将IM等效为直流电动机。IM侧变流器的控制框图如图3所示。

图3中，转子磁链和定向角观测器采用的电流模型为

图3 IM侧变流器控制框图

(11)

式中:ω——转速反馈值；

ψrα、ψr β——转子磁链的α、β分量；

isα、isβ——定子电流的α、β分量。

磁链ψr和定向角θr为

(12)

3 试验结果

采用PM300DSA120智能功率模块搭建SEIG侧PWM变流器和IM侧PWM变流器，分别采用TMS320F2812 DSP和dSPACE 单板控制器DS1104进行实时控制。通过1024线增量式编码器测量IM转速，采用LEM LA100-P电流传感器和LEM LV28-P电压传感器测量SEIG侧变流器的三相电流、IM三相定子电流、SEIG端电压，及直流侧电压。SEIG侧变流器参数： 滤波电感 1.7mH，直流侧电容5000μF，开关频率7kHz，死区时间4.3μs；IM侧变流器参数： 直流侧电容5000μF，开关频率10kHz，死区时间5μs。SEIG和IM的参数如表1所示。

表1 SEIG和IM参数

由图4(a)可看出，转速响应时间为 0.15s，响应时间短；由图4(b)、图4(c)、图4(d)可看出，转速变化时，电流跟踪性能良好，转矩Te呈现方波，且转子磁链没有变化，解耦效果明显。

由图4(e)可知，SEIG端电压峰值由311V跌落至270V，后又恢复给定值311V，最大动态电压41V，SEIG侧变流器可有效维持机端电压；由图4(f)可知，直流侧电压由200V跌落至170V，后又恢复给定值200V，最大动态电压30V。这表明HEV需要加速动能时，驱动系统能够提供稳定的电源，保证了整个HEV正常运行。

HEV减速试验结果(IM转速给定值ω*由600r/min降低到200r/min)如图5所示。由图5(a)和图5(b)可看出，速度和定子电流的跟踪性能良好;由图5(c)和图5(d)可看出，转矩和定子磁链解耦效果明显，与加速试验结果一致。

由图5(e)、图5(f)可知，SEIG端电压峰值由311V上升至326V，最大动态电压为15V，直流侧电压由200V上升至207V，最大动态电压为7V，表明HEV减速时能将能量反馈至直流侧。若在直流侧接入低压侧带蓄电池的双向DC/DC变换器，可吸收减速时回馈的动能，提高HEV运行效率。

图4 HEV加速试验结果

图5 HEV减速试验结果

4 结 语

本文设计了一种发电电机和驱动电机均采用异步电机的串联型HEV动力系统。该HEV系统由SEIG、双PWM变流器和IM组成，两个PWM变流器均采用矢量控制方法。试验结果表明： HEV加速和减速时，IM的速度响应时间短，电磁转矩和转子磁链能够实现解耦，调速控制效果好；同时，在HEV加速时，SEIG变流器能够稳定持续提供加速所需要的动能；HEV减速时，IM变流器能够将减速产生的动能回馈到直流侧。该系统的良好运行效果为HEV的动力系统提供了新的选择方案。

【参考文献】

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