一種礦用電機(jī)車混合充電與驅(qū)動(dòng)一體化電路

祝龍記 王 琦

（安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽淮南232001）

目前，常見的礦用蓄電池直流電機(jī)車，需用吊車將蓄電池調(diào)離車體至專用機(jī)房進(jìn)行充電，還需準(zhǔn)備2～3套備用電池，降低了其管理效率。因此，對(duì)電機(jī)進(jìn)行重構(gòu)，使其可以直接連接電源進(jìn)行充電，可以提高電機(jī)車的經(jīng)濟(jì)性和管理效率。鉛酸蓄電池功率密度較低，無(wú)法滿足電機(jī)車較高的動(dòng)力要求，但其成本低、能量密度高、控制技術(shù)較為成熟。所以本研究在其基礎(chǔ)上加入壽命長(zhǎng)、功率密度較高、充放電性能優(yōu)越的超級(jí)電容共同作為儲(chǔ)能裝置。在動(dòng)力方面，礦用電機(jī)車常用的直流電機(jī)牽引性能良好，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，但串電阻啟動(dòng)會(huì)浪費(fèi)大量的電能。而永磁同步電機(jī)體積小、能耗低、調(diào)節(jié)精度高，可以替代直流電動(dòng)機(jī)。

在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，關(guān)于充電與驅(qū)動(dòng)的一體化已經(jīng)有了一些研究成果［1-6］。其中，文獻(xiàn)［1］將永磁同步電機(jī)定子繞組進(jìn)行等效，使其可在充電時(shí)用作旋轉(zhuǎn)變壓器；文獻(xiàn)［2］三相六繞組的電機(jī)在充電時(shí)可以進(jìn)行繞組重構(gòu)，變成隔離變壓器；文獻(xiàn)［3］電路添加了變壓器和阻尼器，增加了成本和操作的難度；文獻(xiàn)［4］中，使用了開關(guān)磁阻電機(jī)，會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

本研究提出一種蓄電池—超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置，異構(gòu)永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置的新型礦用電機(jī)車混合充電驅(qū)動(dòng)一體化電路，研究了該一體化電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，最后用仿真波形驗(yàn)證了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性。

1 混合充電與驅(qū)動(dòng)一體化電路結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

本研究提出的新型礦用電機(jī)車混合充電驅(qū)動(dòng)一體化電路如圖1所示。其中，Vb為蓄電池，Sc為超級(jí)電容，Q1～Q4為儲(chǔ)能裝置功率分配開關(guān)管，Q5、Q6、D1、D2以及L組成雙向DC/DC電路，C是濾波穩(wěn)壓電容，Q7～Q12組成三相變換器，在驅(qū)動(dòng)模式下作為逆變器使用，在充電模式和回饋模式下作為整流器使用。La～Lc及為永磁同步電機(jī)繞組。

電路工作在驅(qū)動(dòng)模式下的電路圖如圖1（a）所示。電機(jī)車加速時(shí)，電能由超級(jí)電容提供，即Q4導(dǎo)通，Q1、Q2、Q3關(guān)斷。當(dāng)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，電能由蓄電池提供即Q2導(dǎo)通，Q1、Q3、Q4關(guān)斷。儲(chǔ)能裝置提供的直流電先經(jīng)雙向DC/DC變換器升壓，再經(jīng)三相變換器進(jìn)行逆變，最后產(chǎn)生交流電用于永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)［7］。

電路工作在充電模式下的電路圖如圖1（b）所示。電機(jī)車充電時(shí)，電機(jī)經(jīng)繞組重構(gòu)形成的變壓器原邊連接到三相電網(wǎng)，電網(wǎng)提供的三相電經(jīng)過(guò)電機(jī)處理后（作用相當(dāng)于變比為1的變壓器），先由三相變換器整流成直流電，再由雙向DC/DC變換器降壓，最后供給儲(chǔ)能裝置。其中，因?yàn)槌?jí)電容充電較快，所以優(yōu)先對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，即Q3導(dǎo)通，Q1、Q2、Q4關(guān)斷，當(dāng)超級(jí)電容充滿后再給蓄電池充電，即Q1導(dǎo)通，Q2、Q3、Q4關(guān)斷。

電路工作在回饋模式下的電路圖與圖1（a）相同。電機(jī)車減速或制動(dòng)時(shí)，永磁同步電機(jī)做發(fā)電機(jī)使用將電能回饋到超級(jí)電容，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的續(xù)航能力的增強(qiáng)。

當(dāng)電機(jī)車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與充電模式切換時(shí)，電機(jī)車永磁同步電機(jī)的三相繞組會(huì)進(jìn)行重構(gòu)。以從驅(qū)動(dòng)模式到充電模式的切換為例，A相的繞組與La繞組從1'、2'處斷開，B相的繞組與Lb繞組從 3'、4'處斷開，C相的繞組與Lc繞組從5'、6'處斷開。1、3、5分別連接到三相變換器的交流側(cè)，2、4、6連接在一起作為變壓器副邊的中點(diǎn)；2'、4'、6'分別連接到三相電網(wǎng)，1'、3'、5'連接在一起作為變壓器原邊的中點(diǎn)，將永磁同步電動(dòng)機(jī)的三機(jī)定子繞組重構(gòu)成三相隔離變壓器，此時(shí)永磁同步電機(jī)、三相變換器重構(gòu)成了蓄電池儲(chǔ)能裝置的充電電路，三相變換器工作于PWM整流狀態(tài)。電機(jī)車工作于停車充電模式，三相變換器工作于PWM整流模式，給儲(chǔ)能裝置充電。

2 電機(jī)工作過(guò)程的分析

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)過(guò)程的分析

當(dāng)電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，電機(jī)繞組的結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子為兩極，定子為六繞組，其中繞組電感為A相繞組、為B相繞組為C相繞組。電機(jī)的A、B、C三相繞組在定子上角度互差120°，其截面圖如圖2（b）所示。

電機(jī)的三相六繞組在驅(qū)動(dòng)模式下為2組相同的三相繞組，即La、Lb、Lc為第1組為第2組，且同相的2繞組間無(wú)相位差。當(dāng)混合儲(chǔ)能裝置提供的直流電經(jīng)雙向DC/DC變換器和三相變換器后得到的階梯電壓近似呈標(biāo)準(zhǔn)正弦時(shí)，對(duì)六繞組電機(jī)進(jìn)行建模，并在dqo坐標(biāo)下再進(jìn)行分析?？梢远x變換后的定子電流矩陣、變換后的定子電壓矩陣、變換后的定子磁鏈矩陣為：

其中，字母d、q和o分別表示變量在doq坐標(biāo)下的直接分量、交軸分量和零分量；而d、q、o的下標(biāo)1、2代表繞所屬組數(shù)。此外，因?yàn)殡姍C(jī)三相分量對(duì)稱，所以o軸分量數(shù)值為0，于是可以得到如下變換后的電壓和磁鏈方程：

式中，ωr為電角速度；Ψf為永磁體基波磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的磁鏈；Ld和Lq為直軸交軸繞組的自感，Md和Mq為交軸繞組互感。又因?yàn)橛来磐诫姍C(jī)的直軸電感Ld與交軸電感Lq相等，所以可以得到三相六繞組永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為［2］：

CT檢查采用GE optimo660型64排CT掃描儀,檢查前囑患者口服500ml溫水充盈胃腸道,15min后檢查。患者取仰臥位,常規(guī)平掃,掃描參數(shù):管電流22m As,管電壓120kv,層間距和層厚均為5mm。掃描范圍:自患者右側(cè)隔頂掃描至胰腺鉤突下方,可根據(jù)患者實(shí)際情況調(diào)整,掃描后經(jīng)工作站重建圖像,并根據(jù)膽管走向?qū)嵤┣嬷亟ā?/p>

經(jīng)以上分析可得，儲(chǔ)能裝置開始供電后，電機(jī)正常運(yùn)行，并產(chǎn)生式（10）大小的電磁轉(zhuǎn)矩用于電機(jī)車的驅(qū)動(dòng)。

2.2 電機(jī)充電過(guò)程的分析

當(dāng)從驅(qū)動(dòng)模式切換到充電模式時(shí)，待電機(jī)停止后定子繞組進(jìn)行重構(gòu)，形成圖3（a）所示結(jié)構(gòu)。然后定子繞組電感形成變壓器的原邊繞組，定子繞組電感La、Lb與Lc形成的變壓器副邊繞組。當(dāng)原邊繞組連接到電網(wǎng)交流電壓ua、ub、uc時(shí)，副邊繞組La、Lb與Lc便會(huì)分別感應(yīng)出一個(gè)三相對(duì)稱且角度互差120°電壓，于是可以得到公式：

式中，f為原邊通入三相電壓的頻率；Φm為通入三相電壓產(chǎn)生的磁通；N1和N2分別為原副邊繞組的匝數(shù)；U1和U2分別為原副邊的電壓。由于原副邊繞組匝數(shù)相同，在理想情況下，原副邊電壓相等，即電機(jī)在充電模式下作用相當(dāng)于變比為1的變壓器。

電機(jī)連入電網(wǎng)后，定子每相繞組電感都會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。下面就充電時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的影響進(jìn)行分析。

（1）整體上，電機(jī)定子上的變壓器原、副邊繞組沿圓周呈對(duì)稱分布且匝數(shù)、材料完全相同，那么在通電后會(huì)在空間形成三相對(duì)稱的磁場(chǎng)。此外，電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體材料完全相同且分布對(duì)稱。

（2）局部上，以A相為例，假設(shè)La繞組1端電流流向紙外，2端電流流向紙內(nèi)，那么La'繞組1'端電流流向紙外，2'端電流流向紙內(nèi)，根據(jù)右手定則，A相定子繞組形成磁場(chǎng)如圖3（b）所示。由圖3可知，S極與A軸正方向重合。

所以1、2端和1'、2'端產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)在其上產(chǎn)生的作用力大小相等、方向相反，永磁體此時(shí)受力平衡，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子靜止。同理，當(dāng)B相與C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子也保持靜止。所以，電機(jī)工作在充電模式下時(shí)作靜止變壓器使用。

3 雙向DC/DC電路充電控制策略

本研究提出的礦用電機(jī)車混合充電驅(qū)動(dòng)一體化電路可以工作于充電、驅(qū)動(dòng)與能量回饋3種模式。其中，充電模式下雙向DC/DC變換器采用先恒流后恒功率的充電策略［8］，驅(qū)動(dòng)和反饋模式下雙向DC/DC變換器均采用雙閉環(huán)控制策略［9］，下面對(duì)充電時(shí)的控制策略進(jìn)行分析。

當(dāng)電路處于充電模式或驅(qū)動(dòng)模式的回饋過(guò)程時(shí)，為保證儲(chǔ)能裝置充電的安全，控制開關(guān)管Q5一直處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管D2由于能量流向，也處于截止?fàn)顟B(tài)，其余元件形成降壓電路。根據(jù)公式：

式中，U0為混合儲(chǔ)能裝置輸出的的電壓；D為占空比；Udc為直流電壓。

本電路采用恒定大電流轉(zhuǎn)恒定功率的分段充電方法，當(dāng)正在進(jìn)行充電的儲(chǔ)能裝置電量在80%以下時(shí)，采用恒定的大電流充電策略，當(dāng)電量超過(guò)這個(gè)值，則切換控制策略為恒功率充電策略，其控制框圖如圖4所示。其中，Pse為充電功率，use為充電時(shí)的儲(chǔ)能裝置的端電壓，SOC（%）為正在處于充電狀態(tài)的儲(chǔ)能裝置的電量，iref為給定的充電電流，Pref為給定的充電功率。先將儲(chǔ)能裝置給定的充電電流和充電功率分別與實(shí)際電流和功率做差，再將得到的誤差信號(hào)經(jīng)PI調(diào)節(jié)器、限幅與PWM發(fā)生器處理，得到PWM-Q6的控制脈沖，用于開關(guān)管Q6的控制，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置的恒流或恒功率充電。

4 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

基于以上對(duì)新型礦用電機(jī)車混合充電與驅(qū)動(dòng)一體化電路分析，在MATLAB/Simulink環(huán)境下分別搭建了充電與驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)仿真模型。

當(dāng)電路切換到充電模式后，電機(jī)繞組重構(gòu)作變壓器使用，其原邊連接到電網(wǎng)后，三相交流電先經(jīng)變壓器變換，再經(jīng)三相變換器整流，最后經(jīng)雙向DC/DC變換器降壓給超級(jí)電容充電，當(dāng)超級(jí)電容充滿后再給蓄電池充電，形成波形圖如5所示。

由圖5可知，連接電源后0～0.5 s，三相變換器直流側(cè)的電壓不穩(wěn)定，為避免對(duì)儲(chǔ)能裝置造成損傷，儲(chǔ)能裝置控制開關(guān)全部關(guān)閉。0.5～2.2 s，超級(jí)電容進(jìn)行恒流充電，電量快速上升。當(dāng)電量到達(dá)80%后，2.2～4.5 s超級(jí)電容進(jìn)行恒功率充電，電量上升變緩。4.5 s后，電量達(dá)到100%，超級(jí)電容充電結(jié)束，開始蓄電池的充電過(guò)程。

當(dāng)電路切換到驅(qū)動(dòng)模式后，電機(jī)車加速所需電能由超級(jí)電容提供，平穩(wěn)運(yùn)行所需電能由蓄電池提供。若電機(jī)車減速或制動(dòng)，電動(dòng)機(jī)做發(fā)電機(jī)使用，向超級(jí)電容回饋電能，以延長(zhǎng)電機(jī)車的續(xù)航時(shí)間，形成波形圖如6所示。

由圖6可知，0～2 s和6.5～7 s內(nèi)，電機(jī)車加速，電能由超級(jí)電容提供，其電量下降，蓄電池電量不變，電機(jī)車的加速時(shí)間短，驅(qū)動(dòng)性能明顯改善。2～4 s、4.5～6.5 s和7～8 s內(nèi)，電機(jī)車平穩(wěn)運(yùn)行，電能由蓄電池提供，其電量下降，超級(jí)電容電量不變。4～4.5 s和8～10 s內(nèi)，電機(jī)車減速，永磁同步電機(jī)回饋電能，超級(jí)電容電量上升，蓄電池電量不變。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究提出一種基于繞組重構(gòu)永磁同步電機(jī)的新型的一體化電路，用蓄電池和超級(jí)電容混合儲(chǔ)能裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蓄電池裝置。三相變換器與雙向DC/DC電路串聯(lián)電路代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相控整流電路。用異構(gòu)永磁同步電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的直流電機(jī)，模式切換時(shí)繞組進(jìn)行重構(gòu)，可作為電機(jī)或變壓器使用。并對(duì)此電路拓?fù)溥M(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證，確認(rèn)了其可行性，并根據(jù)結(jié)果得出此電路可以有效地提高電機(jī)車的驅(qū)動(dòng)性能和續(xù)航能力。