一种矿用电机车混合充电与驱动一体化电路

祝龙记 王 琦

（安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南232001）

目前，常见的矿用蓄电池直流电机车，需用吊车将蓄电池调离车体至专用机房进行充电，还需准备2～3套备用电池，降低了其管理效率。因此，对电机进行重构，使其可以直接连接电源进行充电，可以提高电机车的经济性和管理效率。铅酸蓄电池功率密度较低，无法满足电机车较高的动力要求，但其成本低、能量密度高、控制技术较为成熟。所以本研究在其基础上加入寿命长、功率密度较高、充放电性能优越的超级电容共同作为储能装置。在动力方面，矿用电机车常用的直流电机牵引性能良好，起动转矩较大，但串电阻启动会浪费大量的电能。而永磁同步电机体积小、能耗低、调节精度高，可以替代直流电动机。

在电动汽车领域，关于充电与驱动的一体化已经有了一些研究成果［1-6］。其中，文献［1］将永磁同步电机定子绕组进行等效，使其可在充电时用作旋转变压器；文献［2］三相六绕组的电机在充电时可以进行绕组重构，变成隔离变压器；文献［3］电路添加了变压器和阻尼器，增加了成本和操作的难度；文献［4］中，使用了开关磁阻电机，会产生较大的噪声转矩脉动。

本研究提出一种蓄电池—超级电容作为储能装置，异构永磁同步电机作为驱动装置的新型矿用电机车混合充电驱动一体化电路，研究了该一体化电路的拓扑结构和工作原理，最后用仿真波形验证了其拓扑结构的有效性。

1 混合充电与驱动一体化电路结构及工作过程

本研究提出的新型矿用电机车混合充电驱动一体化电路如图1所示。其中，Vb为蓄电池，Sc为超级电容，Q1～Q4为储能装置功率分配开关管，Q5、Q6、D1、D2以及L组成双向DC/DC电路，C是滤波稳压电容，Q7～Q12组成三相变换器，在驱动模式下作为逆变器使用，在充电模式和回馈模式下作为整流器使用。La～Lc及为永磁同步电机绕组。

电路工作在驱动模式下的电路图如图1（a）所示。电机车加速时，电能由超级电容提供，即Q4导通，Q1、Q2、Q3关断。当电机平稳运行时，电能由蓄电池提供即Q2导通，Q1、Q3、Q4关断。储能装置提供的直流电先经双向DC/DC变换器升压，再经三相变换器进行逆变，最后产生交流电用于永磁同步电机的驱动［7］。

电路工作在充电模式下的电路图如图1（b）所示。电机车充电时，电机经绕组重构形成的变压器原边连接到三相电网，电网提供的三相电经过电机处理后（作用相当于变比为1的变压器），先由三相变换器整流成直流电，再由双向DC/DC变换器降压，最后供给储能装置。其中，因为超级电容充电较快，所以优先对超级电容进行充电，即Q3导通，Q1、Q2、Q4关断，当超级电容充满后再给蓄电池充电，即Q1导通，Q2、Q3、Q4关断。

电路工作在回馈模式下的电路图与图1（a）相同。电机车减速或制动时，永磁同步电机做发电机使用将电能回馈到超级电容，实现电机车的续航能力的增强。

当电机车进行驱动与充电模式切换时，电机车永磁同步电机的三相绕组会进行重构。以从驱动模式到充电模式的切换为例，A相的绕组与La绕组从1'、2'处断开，B相的绕组与Lb绕组从 3'、4'处断开，C相的绕组与Lc绕组从5'、6'处断开。1、3、5分别连接到三相变换器的交流侧，2、4、6连接在一起作为变压器副边的中点；2'、4'、6'分别连接到三相电网，1'、3'、5'连接在一起作为变压器原边的中点，将永磁同步电动机的三机定子绕组重构成三相隔离变压器，此时永磁同步电机、三相变换器重构成了蓄电池储能装置的充电电路，三相变换器工作于PWM整流状态。电机车工作于停车充电模式，三相变换器工作于PWM整流模式，给储能装置充电。

2 电机工作过程的分析

2.1 电机驱动过程的分析

当电机处于驱动模式时，电机绕组的结构如图2（a）所示，电机转子为两极，定子为六绕组，其中绕组电感为A相绕组、为B相绕组为C相绕组。电机的A、B、C三相绕组在定子上角度互差120°，其截面图如图2（b）所示。

电机的三相六绕组在驱动模式下为2组相同的三相绕组，即La、Lb、Lc为第1组为第2组，且同相的2绕组间无相位差。当混合储能装置提供的直流电经双向DC/DC变换器和三相变换器后得到的阶梯电压近似呈标准正弦时，对六绕组电机进行建模，并在dqo坐标下再进行分析。可以定义变换后的定子电流矩阵、变换后的定子电压矩阵、变换后的定子磁链矩阵为：

其中，字母d、q和o分别表示变量在doq坐标下的直接分量、交轴分量和零分量；而d、q、o的下标1、2代表绕所属组数。此外，因为电机三相分量对称，所以o轴分量数值为0，于是可以得到如下变换后的电压和磁链方程：

式中，ωr为电角速度；Ψf为永磁体基波磁场在定子绕组中产生的磁链；Ld和Lq为直轴交轴绕组的自感，Md和Mq为交轴绕组互感。又因为永磁同步电机的直轴电感Ld与交轴电感Lq相等，所以可以得到三相六绕组永磁同步电机的电磁转矩为［2］：

CT检查采用GE optimo660型64排CT扫描仪,检查前嘱患者口服500ml温水充盈胃肠道,15min后检查。患者取仰卧位,常规平扫,扫描参数:管电流22m As,管电压120kv,层间距和层厚均为5mm。扫描范围:自患者右侧隔顶扫描至胰腺钩突下方,可根据患者实际情况调整,扫描后经工作站重建图像,并根据胆管走向实施曲面重建。

经以上分析可得，储能装置开始供电后，电机正常运行，并产生式（10）大小的电磁转矩用于电机车的驱动。

2.2 电机充电过程的分析

当从驱动模式切换到充电模式时，待电机停止后定子绕组进行重构，形成图3（a）所示结构。然后定子绕组电感形成变压器的原边绕组，定子绕组电感La、Lb与Lc形成的变压器副边绕组。当原边绕组连接到电网交流电压ua、ub、uc时，副边绕组La、Lb与Lc便会分别感应出一个三相对称且角度互差120°电压，于是可以得到公式：

式中，f为原边通入三相电压的频率；Φm为通入三相电压产生的磁通；N1和N2分别为原副边绕组的匝数；U1和U2分别为原副边的电压。由于原副边绕组匝数相同，在理想情况下，原副边电压相等，即电机在充电模式下作用相当于变比为1的变压器。

电机连入电网后，定子每相绕组电感都会在其周围产生磁场。下面就充电时产生的磁场对电机转子的影响进行分析。

（1）整体上，电机定子上的变压器原、副边绕组沿圆周呈对称分布且匝数、材料完全相同，那么在通电后会在空间形成三相对称的磁场。此外，电机转子永磁体材料完全相同且分布对称。

（2）局部上，以A相为例，假设La绕组1端电流流向纸外，2端电流流向纸内，那么La'绕组1'端电流流向纸外，2'端电流流向纸内，根据右手定则，A相定子绕组形成磁场如图3（b）所示。由图3可知，S极与A轴正方向重合。

所以1、2端和1'、2'端产生的空间磁场在其上产生的作用力大小相等、方向相反，永磁体此时受力平衡，转子上没有转矩，转子静止。同理，当B相与C相通电时，转子也保持静止。所以，电机工作在充电模式下时作静止变压器使用。

3 双向DC/DC电路充电控制策略

本研究提出的矿用电机车混合充电驱动一体化电路可以工作于充电、驱动与能量回馈3种模式。其中，充电模式下双向DC/DC变换器采用先恒流后恒功率的充电策略［8］，驱动和反馈模式下双向DC/DC变换器均采用双闭环控制策略［9］，下面对充电时的控制策略进行分析。

当电路处于充电模式或驱动模式的回馈过程时，为保证储能装置充电的安全，控制开关管Q5一直处于关断状态，二极管D2由于能量流向，也处于截止状态，其余元件形成降压电路。根据公式：

式中，U0为混合储能装置输出的的电压；D为占空比；Udc为直流电压。

本电路采用恒定大电流转恒定功率的分段充电方法，当正在进行充电的储能装置电量在80%以下时，采用恒定的大电流充电策略，当电量超过这个值，则切换控制策略为恒功率充电策略，其控制框图如图4所示。其中，Pse为充电功率，use为充电时的储能装置的端电压，SOC（%）为正在处于充电状态的储能装置的电量，iref为给定的充电电流，Pref为给定的充电功率。先将储能装置给定的充电电流和充电功率分别与实际电流和功率做差，再将得到的误差信号经PI调节器、限幅与PWM发生器处理，得到PWM-Q6的控制脉冲，用于开关管Q6的控制，实现储能装置的恒流或恒功率充电。

4 仿真实验及分析

基于以上对新型矿用电机车混合充电与驱动一体化电路分析，在MATLAB/Simulink环境下分别搭建了充电与驱动的控制系统仿真模型。

当电路切换到充电模式后，电机绕组重构作变压器使用，其原边连接到电网后，三相交流电先经变压器变换，再经三相变换器整流，最后经双向DC/DC变换器降压给超级电容充电，当超级电容充满后再给蓄电池充电，形成波形图如5所示。

由图5可知，连接电源后0～0.5 s，三相变换器直流侧的电压不稳定，为避免对储能装置造成损伤，储能装置控制开关全部关闭。0.5～2.2 s，超级电容进行恒流充电，电量快速上升。当电量到达80%后，2.2～4.5 s超级电容进行恒功率充电，电量上升变缓。4.5 s后，电量达到100%，超级电容充电结束，开始蓄电池的充电过程。

当电路切换到驱动模式后，电机车加速所需电能由超级电容提供，平稳运行所需电能由蓄电池提供。若电机车减速或制动，电动机做发电机使用，向超级电容回馈电能，以延长电机车的续航时间，形成波形图如6所示。

由图6可知，0～2 s和6.5～7 s内，电机车加速，电能由超级电容提供，其电量下降，蓄电池电量不变，电机车的加速时间短，驱动性能明显改善。2～4 s、4.5～6.5 s和7～8 s内，电机车平稳运行，电能由蓄电池提供，其电量下降，超级电容电量不变。4～4.5 s和8～10 s内，电机车减速，永磁同步电机回馈电能，超级电容电量上升，蓄电池电量不变。

5 结语

本研究提出一种基于绕组重构永磁同步电机的新型的一体化电路，用蓄电池和超级电容混合储能装置代替传统的蓄电池装置。三相变换器与双向DC/DC电路串联电路代替传统的相控整流电路。用异构永磁同步电机代替传统的直流电机，模式切换时绕组进行重构，可作为电机或变压器使用。并对此电路拓扑进行了理论分析和仿真验证，确认了其可行性，并根据结果得出此电路可以有效地提高电机车的驱动性能和续航能力。