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再生制動的分析與控制

為了降低電動車的使用成本，目前采用的驅(qū)動能源是鉛酸蓄電池。但是鉛酸蓄電池能量有限，所以電動車的一次充電續(xù)駛里程相對比較短，一般為150KM左右。因此，在現(xiàn)有的情況下延長車輛的一次充電續(xù)駛里程是一項很有意義的工作。

車輛在路上經(jīng)常起動、剎車，而剎車是以消耗動能為熱能的方式將能量白白浪費。因為籠型電機能夠?qū)崿F(xiàn)四個象限運行，所以通過控制電機在第二象限運行來實現(xiàn)再生制動，將車輛的動能轉(zhuǎn)化為電能反饋回的電源儲存，這樣就可以有效延長車輛的一次充電續(xù)駛里程。電動車直接采用蓄電池作為驅(qū)動電源，可將再生制動反饋回的能量直接給蓄電池充電。無需像一般的交流調(diào)速系統(tǒng)那樣逆變回交流電網(wǎng)，控制結(jié)構(gòu)相對簡單。

本文分析了再生制動時各失量狀態(tài)的關系、功率開關的狀態(tài)以及轉(zhuǎn)差率與制動之間的關系，最后給出了一種再生制動的實現(xiàn)方法。

二、再生制動的狀態(tài)分析

1、失量分析

圖1為電機電動狀態(tài)時的各磁鏈失量關系圖，其中氣隙磁鏈為ψ_a，定子磁鏈為ψ₁，轉(zhuǎn)子磁鏈為ψ₂，當電機處于電動狀態(tài)時，ψ₁帶動ψ₂ 旋轉(zhuǎn)，ψ₁在空間位置上超前于ψ₂，電機輸出正轉(zhuǎn)矩。

圖1 磁鏈矢量關系

當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度超出定子頻率時，電機進入第二象限運轉(zhuǎn)，此時轉(zhuǎn)子切割ψ_a 的方向與電動狀態(tài)相反，轉(zhuǎn)子中的感應電流的方向與電動狀態(tài)時的方向相反，使ψ_a的幅值增大，為了保持ψ_a幅值恒定，定子電流需要反向以減小ψ_a幅值，定子電流方向表現(xiàn)為由電機流向滇池，在空間位置上轉(zhuǎn)子電流超前于定子電流，此時電機的輸出表現(xiàn)為制動轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)機械能經(jīng)電機轉(zhuǎn)化為電能饋送回電池。在整個分析過程中，氣隙磁場是實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)化的紐帶，因此在實現(xiàn)再生制動的過程中，為了保證氣隙磁場的存在，需要外加一定勵磁電流。

2、開關的狀態(tài)分析

圖2 逆變橋結(jié)構(gòu)

如圖2所示，以電機A相電路為例，當A相的反電勢超過電池電壓幅值的0,866倍時（設A相電流為流出），VF4截止，VF5、VF6導通，A相電流經(jīng)由VD1、VD5、VD6 形成通路，此時逆變橋處于整流狀態(tài)，反電勢經(jīng)由續(xù)流二極管整流向電池充電，當A相的反電勢低于電池電壓幅值的0.866倍時，VF4導通，VF5 VF6截至，A相電流經(jīng)由VF4、VF2、VF3形成通路，此時蓄電池經(jīng)逆變橋向電機供電，實現(xiàn)勵磁；當反電勢出現(xiàn)換向時，相應的功率開關器件也發(fā)生同樣的變動，此時A相電流為流進，當A相的反電勢低于電池電壓幅值的0.886倍時，VF4截至，VF5、VF6導通，A相電流經(jīng)由VF1、VF5、VF6形成通路，蓄電池逆變橋向電機供電，實現(xiàn)勵磁；當A相的反電勢高于電池電壓幅值的0.886倍時，VF4導通，VF5、VF6 截至，A相電流經(jīng)由VD4 VD2 VD3形成通路，此時逆變橋處于整流狀態(tài)，反電勢經(jīng)由續(xù)流二極管整流向電池充電、在宏觀表現(xiàn)上看，再生制動過程表現(xiàn)為充電→勵磁→充電→勵磁的交替進行。從這一點上分析，控制再生制動的發(fā)生同樣需要勵磁電流，只是當勵磁功率大于充電功率時，就可將再生制動終止。

3、制動與轉(zhuǎn)差率

電機的L形等效電路如圖3 所示，電機內(nèi)部消耗的有功功率：

制動時電機負載產(chǎn)生的電功率：

假設電機所帶負載具有的機械能基本上被電機內(nèi)部所消耗，邊界情況為式（1）與式（2）相等所以有：

由式（3）有：

當電機負轉(zhuǎn)差率位于S1≥S≥S2范圍時，系統(tǒng)的機械能經(jīng)電機轉(zhuǎn)化為電能向蓄電池回饋，同時電機不出現(xiàn)過流，也就是反饋的電能不能被電池吸收的部分，可以由電機本身承受消耗而不出現(xiàn)過流。當轉(zhuǎn)差率變化超過該范圍時，機械能經(jīng)電機轉(zhuǎn)化的電能無法有效回饋給電池，而剩余部分的能量在電機的線圈內(nèi)阻中又無法*消耗，因此容易出現(xiàn)過流。所以，從簡化控制的角度出發(fā)，當控制轉(zhuǎn)差率在S1≥S≥S2范圍內(nèi)變化時，再生制動過程就可以避免出現(xiàn)過流。

三、控制再生制動的方法

由上分析可知，再生制動的控制實際上是根據(jù)電機中反電勢的大小、方向控制相應橋臂的功率開關器件的通斷，保證一定的勵磁電流，但這稚方法具體到每相橋臂的每個開關的控制時就比較麻煩，但只要保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在超出定子旋轉(zhuǎn)頻率時，定子頻率跟蹤轉(zhuǎn)子速度變化，保持一定的負轉(zhuǎn)差率范圍，就可實現(xiàn)在無過流方式下的再生制動。

根據(jù)該思路，本文提出的再生制動方法如圖4所示，在直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）中，首先觀測定子磁鏈、控制定子磁鏈的幅值為恒定，然后選擇零失量、非零失量來調(diào)節(jié)瞬時轉(zhuǎn)差、控制輸出轉(zhuǎn)矩恒定，所以由磁鏈環(huán)節(jié)觀測定子磁鏈的幅值及相位，并且選擇失量控制鏈幅值大??；轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)（與磁鏈控制環(huán)節(jié)相結(jié)合）選擇失量控制磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度。

如果其中的轉(zhuǎn)矩反饋被定子磁鏈的相位反饋替代，而控制磁鏈幅值的環(huán)節(jié)依舊保留，圖4可以轉(zhuǎn)變?yōu)閳D5所示的一種新型的變頻調(diào)速方法，此時該系統(tǒng)是通過控制定子磁鏈的幅值大小以及旋轉(zhuǎn)速度來實現(xiàn)變頻調(diào)速的，因為該結(jié)構(gòu)實際上采用了DTC控制方式，它保留了磁鏈控制環(huán)節(jié)，所以能夠有效控制磁鏈的相位偏差，在這種情況下可以保證輸出的電流諧波少，運行平穩(wěn)，而在該結(jié)構(gòu)基礎上實現(xiàn)的再生制動控制，就是使定子頻率跟蹤轉(zhuǎn)子速度變化，保證式（4）中確定的負轉(zhuǎn)差率范圍，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)在制動過程中不出現(xiàn)過流。另一方面，制動效果的強弱可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率和定子磁鏈幅值來實現(xiàn)。由于這種方法保留了DTC的結(jié)構(gòu)和特點，所以能夠很好地與DTC的交流驅(qū)動系統(tǒng)兼容