單相集成車載充電器的充電控制

劉陵順，葛寶川，呂興賀，孔德彪

(1.海軍航空工程學(xué)院，煙臺(tái) 264001；2.中國人民解放軍92950部隊(duì)，葫蘆島 125100)

0 引 言

近年來，隨著環(huán)境污染和能源問題越來越嚴(yán)重，以清潔、無污染的能源——電力驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車發(fā)展越來越快，應(yīng)用也越來越普及[1-4]。在電動(dòng)汽車中，傳動(dòng)系統(tǒng)和充電系統(tǒng)不能同時(shí)工作。當(dāng)充電系統(tǒng)工作時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的電力電子設(shè)備(主要是電機(jī)和變流器)可以集成到充電系統(tǒng)中，以達(dá)到減少使用的電力電子設(shè)備的目的。將三相電機(jī)集成到充電系統(tǒng)中時(shí)，為使電機(jī)在充電過程中靜止不轉(zhuǎn)，需要添加額外的設(shè)備[5]或者對(duì)電機(jī)實(shí)行機(jī)械鎖定[6]。將多相電機(jī)集成到充電系統(tǒng)中時(shí)，依據(jù)多相電機(jī)多個(gè)自由平面的性質(zhì)，無需額外操作即可實(shí)現(xiàn)充電過程中電機(jī)靜止不轉(zhuǎn)[7-10]。相比較而言，基于多相電機(jī)的集成充電器比基于三相電機(jī)的集成充電器更加節(jié)約成本、占有更少車內(nèi)空間。文獻(xiàn)[7]提出一種基于多相電機(jī)的單相集成車載充電器，將電動(dòng)汽車的充電過程和驅(qū)動(dòng)過程集成，減少了電力電子器件的使用。以非對(duì)稱九相感應(yīng)電機(jī)、對(duì)稱和非對(duì)稱六相感應(yīng)電機(jī)、五相感應(yīng)電機(jī)為例，分析了充電過程中多相電機(jī)靜止不轉(zhuǎn)的原理，以比例諧振控制的控制方案實(shí)現(xiàn)對(duì)基于多相電機(jī)的單相車載集成充電器的充電過程的控制。

本文主要研究基于六相永磁同步電機(jī)(雙Y移30°永磁同步電機(jī))的單相集成車載充電器充電過程的單位功率因數(shù)控制方案，將電機(jī)2個(gè)三相繞組中同相位的電流分別移相和坐標(biāo)變換，使電流的有功分量和無功分量分開，再通過PI控制使無功分量趨于0，實(shí)現(xiàn)充電過程的單位功率因數(shù)運(yùn)行。

1 基于六相永磁同步電機(jī)的單相集成車載充電器的理論分析

基于六相永磁同步電機(jī)的單相集成車載充電器的系統(tǒng)框圖如圖1所示。在充電過程中，單相電網(wǎng)的2個(gè)網(wǎng)端連接到電機(jī)的2個(gè)中性點(diǎn)上。電機(jī)6個(gè)相的電阻和電感均相同，連接到三相繞組的3個(gè)變流器橋臂同時(shí)控制。

圖1 基于六相永磁同步電機(jī)的單相集成車載充電器

六相永磁同步電機(jī)在該單相充電器的充電過程中靜止不轉(zhuǎn)的原理[7]分析如下：

對(duì)電機(jī)的定子繞組進(jìn)行解耦變換，可得矩陣[11]：

(1)

式(1)中的矩陣由3個(gè)平面組成，分別是α-β平面(第一行和第二行),x-y平面(第三行和第四行)和o1-o2平面(第五行和第六行)。其中，α-β平面是電機(jī)定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的平面，x-y平面是諧波平面，o1-o2平面是零序平面。由式(1)可得，α-β平面與x-y平面的解耦變換方程：

(2)

當(dāng)單相電網(wǎng)給充電器供電時(shí)，電機(jī)的六相中通過的電流關(guān)系如下：

(3)

給定電網(wǎng)電流如下：

(4)

將式(2)～式(4)聯(lián)立，可得：

(5)

由式(5)可知，在該充電過程中，電機(jī)定子α-β平面上沒有產(chǎn)生磁場(chǎng)，即電機(jī)靜止不轉(zhuǎn)。此時(shí)，電機(jī)定子只相當(dāng)于一個(gè)電感的作用。

2 控制策略

本文采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法。在實(shí)際電網(wǎng)中，由于輸配電變壓器飽和、非線性負(fù)載元件上產(chǎn)生諧波電流等原因，使得電網(wǎng)輸出電壓發(fā)生畸變，含有了無功分量[12]。為了防止電網(wǎng)中的無功分量輸入到充電過程，采用單位功率因數(shù)控制策略，控制框圖如圖2所示。

圖2 充電過程的單位功率因數(shù)控制策略

2.1 電壓外環(huán)設(shè)計(jì)

2.2 電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)

同理，對(duì)XYZ三相繞組上的電流進(jìn)行上述操作，可得同相位的相電壓KuX,KuY,KuZ。

2.2.1 電流移相環(huán)節(jié)系數(shù)的確定

電流移相環(huán)節(jié)使三相繞組的相電流由同相位移動(dòng)到為兩兩互差120°的過程，如圖3所示。

圖3 電流相位變化圖

三相繞組中的相電流移相后，其線電流會(huì)發(fā)生變化。設(shè)變化前后的功率分別為P1和P2，計(jì)算公式如下：

(6)

(7)

依據(jù)功率不變的原則，有：

P1=P2

(8)

將式(6)和式(7)代式入(8)可得電流移相環(huán)系數(shù)：

2.2.2 電壓移相環(huán)節(jié)系數(shù)的確定

電壓移相環(huán)節(jié)是將電壓由兩兩互差120°變化為同相位的過程，如圖4所示。

圖4 相電壓相位變化圖

電壓經(jīng)過移相環(huán)節(jié)，線電壓會(huì)發(fā)生變化。設(shè)變化前后的功率分別為P3和P4，計(jì)算公式如下：

(9)

(10)

依據(jù)功率不變的原則，有：

P3=P4

(11)

將式(9)和式(10)代入式(11)可得電壓移相環(huán)系數(shù)：

3 仿真及分析

3.1 仿真模型

在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，如圖5所示。圖5中，交流電源為給定的單相電網(wǎng)，電容為直流側(cè)濾波電容，電阻為蓄電池等效電阻。仿真過程中，將測(cè)量器測(cè)得的直流側(cè)電壓、單相電網(wǎng)電壓和電機(jī)的6個(gè)相電流輸入到控制系統(tǒng)中，得到電機(jī)相電壓；再將相電壓輸入PWM模塊中，得到變流器上12個(gè)開關(guān)管的開關(guān)信號(hào)，控制開關(guān)管的通斷，完成充電器的充電控制。

圖5 仿真模型

3.2 仿真結(jié)果及分析

交流側(cè)電壓Ug,電流ig的波形和直流側(cè)電壓udc的波形如圖6和圖7所示。

在圖6中，交流側(cè)電壓Ug和交流側(cè)電流ig相位相同，所以充電器充電過程中，交流側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行。

圖6 交流側(cè)電壓Ug，電流ig的波形圖

圖7 直流側(cè)電壓udc的波形圖

充電器的充電過程中，必須使直流側(cè)電壓udc穩(wěn)定在給定值。由圖7可知，充電器充電過程中，直流側(cè)電壓udc穩(wěn)定在給定的直流參考電壓500 V附近。

4 結(jié) 語

本文介紹了基于六相永磁同步電機(jī)的單相集成車載充電器系統(tǒng)的充電過程，分析了該充電器充電過程中電機(jī)靜止不轉(zhuǎn)的原理。通過移相和坐標(biāo)變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流有功分量和無功分量，將無功分量參考值設(shè)為0，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。仿真結(jié)果證明單位功率因數(shù)控制策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電器充電過程的控制。