三相繞組切換電路分析與設計

羅宏浩，王福興，姜紅軍

(1.裝甲兵工程學院控制工程系，北京100072;2.65196部隊，遼寧沈陽110000)

由于永磁電動機具有轉矩大、效率高的顯著優點，在伺服系統和傳動系統中得到了廣泛應用，西方軍事強國也正在研發以電傳動為基礎的新型裝甲車輛［1-3］。然而，當前的永磁驅動電機設計與控制方法主要針對普通民用汽車，其功率等級、運行情況與裝甲車輛電傳動系統有很大區別。目前各國主戰裝甲車輛在攀爬30°坡時的最大速度約為8 km/h，此時外側履帶所需推力為直線行駛的3倍左右;同時，還要求在平坦路面最高速度達到70 km/h。要達到高速的性能指標，需要電動機的弱磁工作范圍達到9∶1。按現有的永磁電動機設計方法，當永磁電動機弱磁工作范圍較大時，要求電動機的空載氣隙磁密就不能太大，這必然會影響低速轉矩的提升;反之，為滿足車輛爬坡、中心轉向等低速下的極限戰技指標，要求電動機的空載氣隙磁密非常高，而這樣就會限制電動機的弱磁工作能力，使其無法高速運行。綜上所述，考慮到裝甲車輛的質量、阻尼系數及其運行特性，僅采取常規手段難以同時滿足電傳動裝甲車輛對驅動電動機在弱磁范圍和低速轉矩2方面的需求。

實際上，永磁電動機低速運行時，由于繞組反電勢較低，雖然繞組電流達到額定值，但逆變器的輸出功率遠低于額定值。在這種情況下，可以采用減少繞組的并聯支路數的方法來提高輸出轉矩，此時，電動機供電電流不變，但各相繞組由并聯變為串聯，其上電流翻倍，因而轉矩也隨之成倍提高。高速運行時，由于電動機反電勢與轉速成正比，很快使反電勢達到供電電壓，從而導致電動機轉速無法繼續上升。在這種情況下，可以采用增加繞組并聯支路數的方法來降低電動機反電勢，此時，各相繞組反電勢不變，但各相繞組由串聯變為并聯，電動機總的反電勢降低一半，因而最大轉速也隨之成倍提高，達到擴大弱磁范圍的目的［4-5］。

因此，通過電動機繞組的串/并聯切換可以滿足裝甲車輛對傳動電動機的苛刻要求。但由于電動機屬于感性負載，繞組的切換過程對電動機性能具有非常重要的影響，如果不能掌握好切換的時機，在合適的電流點進行切換，極易產生很高的尖峰電壓，干擾整個電路工作甚至導致器件損毀。本文分析了繞組在切換過程中電流、電壓的動態變化，在此基礎上構建了合理的開關矩陣拓撲結構，并利用2組三相變壓器對繞組的串聯/并聯切換過程進行了試驗。

1 三相繞組切換電路設計

1.1 工作原理

如圖1所示，對于存在對稱支路的電動機，各相繞組的對稱支路可以有串聯連接和并聯連接2種不同的結構。

圖1 三相繞組串/并聯原理圖

以電動機支路數等于2為例，假設2個支路完全對稱，各支路繞組電感值為L，串聯時電感的值為2L，并聯時電感的值為L/2，則各相電感變化情況為

由于各繞組支路在電磁位置、物理結構上完全相同，因此在不同的連接方式下，電動機相關參數關系還有:

由此可見:不同的繞組連接方式改變了電動機的關鍵參數。因此，可以通過電動機繞組的串/并聯切換改變其電磁特性，滿足裝甲車輛對傳動電動機低速大轉矩和高速寬弱磁范圍2方面的苛刻需求。

1.2 電路結構

由于繞組導通交流電，因此開關必須能夠雙向導通/關斷，考慮管子的耐電壓、耐電流、開關速度、驅動電路等原因，本文選擇雙向晶閘管為切換電路的開關管。切換電路的原理如圖2所示，LA1、LA2，LB1、LB2，LC1、LC2分別代表三相繞組的2個并聯支路，SA1，…，SC3為各切換開關。以 A相為例:當 SA1與SA3斷開、SA2接通時，A相繞組串聯連接;當SA2斷開、SA1與SA3接通時，A相繞組并聯連接。B、C相繞組切換過程原理與A相相同。通過對各相連接開關的控制，即可實現繞組串/并聯的切換。

圖2 三相繞組切換電路原理圖

1.3 仿真分析

由于電動機繞組屬于感性負載，因此，切換電路要實現平穩、快速、有效的串/并聯切換，關鍵是避免電路切換過程中可能產生的電壓尖峰。筆者采用電路仿真軟件Multisim10.0對所設計的切換電路進行了仿真分析。仿真過程采用2個完全相同的三相變壓器模擬電動機繞組，變壓器的參數如表1所示。切換電路與變壓器低壓端繞組相連，采用三相調壓器供電，電壓幅值為10 V;各相負載與高壓端繞組星形連接，電阻值為40 Ω;開關選繼電器，其余仿真參數設為默認值。

表1 三相變壓器的參數

圖3(a)是某一時刻下三相繞組從并聯切換到串聯時繞組兩端的電流波形，可以看出:繞組兩端出現較大的電流尖峰。其原因在于，開關關斷時刻，繞組中的電流不為零，從而在繞組兩端感應出很高的電壓，導致相應的電流尖峰。過大的尖峰電壓會干擾整個電路的正常工作，甚至有擊穿器件的危險。為了消除尖峰電壓，本文采用了電流過零切換模式，該模式下繞組兩端的電壓波形如圖3(b)所示，可以看出:在過零點的切換條件下進行的電路切換，無論是從電流的下降沿還是上升沿，電路中的波形始終能夠保持其正弦特性及波形的連續性，基本消除了電壓尖峰。

圖3 三相繞組切換仿真波形

仿真結果表明:采用本文提出的三相繞組切換電路可以實現繞組的串/并聯切換;但為了消除切換過程中可能產生的電壓尖峰，必須對切換時機進行精確控制。

2 控制系統設計

2.1 總體設計方案

為了實現三相繞組的電流過零切換控制，本文設計了一套計算機控制系統，主要包含傳感器、單片機系統和上位機，系統總體框圖如圖4所示。該系統利用三相交流互感器檢測切換電路的電流信號，并送至單片機進行濾波、AD轉換;單片機將采集的數據經串行接口送至上位機進行顯示、計算等數據處理;同時，上位機接收到操作人員的切換命令后，向單片機發送操作指令，單片機接收指令后控制繼電器的通斷，最終實現切換電路的串/并聯轉換。

圖4 控制系統總體框圖

2.2 單片機程序流程

底層控制電路采用ATmega16單片機作為主控芯片，并通過RS232串口通信完成與上位機通信，PC機為主接收端，單片機為主發送端。單片機在發送檢測信號的同時，按上位機指令控制繼電器的通斷，實現三相繞組切換電路的切換。

單片機主要進行數據的采集和發送，根據自PC機接收的不同指令執行相應的命令。單片機主程序采用輪詢的方式，數據的發送采用定時器0溢出中斷，每隔2 ms發送一次采樣數據，其控制信號中，“b”、“c”分別代表并聯和串聯連接。單片機程序流程如圖5所示。

圖5 單片機程序流程

2.3 上位機程序流程

上位機采用VB軟件設計，調用按鈕、文本框、MSComm等控件，并對其定義編程，通過串口接收字符觸發OnComm事件，實現數據的傳輸、接收和顯示［6］。上位機可以實現3個功能:一是通過與單片機的串口通信完成信息傳遞;二是實時顯示并記錄三相繞組的電流;三是實現人機交互操作。上位機工作流程如圖6所示。

圖6 上位機程序流程

3 試驗結果

為了驗證所設計的三相繞組切換電路是否符合要求，即能否實現平穩、快速、有效的繞組切換，利用2組三相變壓器對繞組切換電路進行了試驗。電路的連接方式和各試驗器件的參數與1.3節相同。變壓器的低壓端采用星形連接，模擬定子繞組;高壓端采用三角形連接，同時串入負載電阻;切換開關采用雙向晶閘管。

圖7給出了當輸入的交流電壓有效值為10 V時，低壓繞組端由串聯狀態切換成并聯狀態，再由并聯狀態切換成串聯狀態的繞組電流波形。單片機在接收到上位機的切換指令后，檢測各相電流過零點，并輸出相應的電平控制切換開關協同工作，實現繞組串/并聯的切換。由圖7可見:整個切換過程快速、平穩，沒有出現瞬時尖峰電壓，保證了電路正常工作。由于繞組切換過程僅發生在車輛低速段，因此本文采用工頻電源供電與實際情況是較為接近的。

圖7 三相繞組切換試驗結果

與此同時，單片機將AD口采集到的數據傳送至上位機，上位機進行分析、處理以及相關信息的顯示，并繪制實時的電流波形，如圖8所示。對比圖7、8可知:上位機顯示的波形與示波器監測波形基本一致，實現了遠程監控的功能。

圖8 上位機監測波形

4 結論

本文提出了一種針對三相繞組切換方案的控制系統設計方案，并利用2組三相變壓器完成了相應的試驗。試驗結果表明:在繞組電流過零點實現繞組的串/并聯切換可以有效抑制切換過程的尖峰電壓。

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