再生制動的分析與控制

摘 要：為了延長電動車的一次充電續駛里程，分析了籠型電機的再生制動狀態，提出一種再生制動方法，它既能保證不出現過流，又能夠很好地與直接轉矩控制系統相融合。
關鍵詞：再生制動；轉矩控制；電動車
一、引言
為了降低電動車的使用成本，目前采用的驅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駛里程相對比較短，一般為150KM左右。因此，在現有的情況下延長車輛的一次充電續駛里程是一項很有意義的工作。
車輛在路上經常起動、剎車，而剎車是以消耗動能為熱能的方式將能量白白浪費。因為籠型電機能夠實現四個象限運行，所以通過控制電機在第二象限運行來實現再生制動，將車輛的動能轉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駛里程。電動車直接采用蓄電池作為驅動電源，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速系統那樣逆變回交流電網，控制結構相對簡單。
本文分析了再生制動時各失量狀態的關系、功率開關的狀態以及轉差率與制動之間的關系，最后給出了一種再生制動的實現方法。
二、再生制動的狀態分析
1、失量分析
圖1為電機電動狀態時的各磁鏈失量關系圖，其中氣隙磁鏈為ψa，定子磁鏈為ψ1，轉子磁鏈為ψ2，當電機處于電動狀態時，ψ1帶動ψ2 旋轉，ψ1在空間位置上超前于ψ2，電機輸出正轉矩。

圖1 磁鏈矢量關系
當轉子旋轉速度超出定子頻率時，電機進入第二象限運轉，此時轉子切割ψa 的方向與電動狀態相反，轉子中的感應電流的方向與電動狀態時的方向相反，使ψa的幅值增大，為了保持ψa幅值恒定，定子電流需要反向以減小ψa幅值，定子電流方向表現為由電機流向滇池，在空間位置上轉子電流超前于定子電流，此時電機的輸出表現為制動轉矩，系統機械能經電機轉化為電能饋送回電池。在整個分析過程中，氣隙磁場是實現電能與機械能相互轉化的紐帶，因此在實現再生制動的過程中，為了保證氣隙磁場的存在，需要外加一定勵磁電流。
2、開關的狀態分析

圖2 逆變橋結構
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相電流經由VD1、VD5、VD6 形成通路，此時逆變橋處于整流狀態，反電勢經由續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相電流經由VF4、VF2、VF3形成通路，此時蓄電池經逆變橋向電機供電，實現勵磁；當反電勢出現換向時，相應的功率開關器件也發生同樣的變動，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相電流經由VF1、VF5、VF6形成通路，蓄電池逆變橋向電機供電，實現勵磁；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相電流經由VD4 VD2 VD3形成通路，此時逆變橋處于整流狀態，反電勢經由續流二極管整流向電池充電、在宏觀表現上看，再生制動過程表現為充電→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、制動與轉差率
電機的L形等效電路如圖3 所示，電機內部消耗的有功功率：

制動時電機負載產生的電功率：

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：

當電機負轉差率位于S1≥S≥S2范圍時，系統的機械能經電機轉化為電能向蓄電池回饋，同時電機不出現過流，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過流。當轉差率變化超過該范圍時，機械能經電機轉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阻中又無法完全消耗，因此容易出現過流。所以，從簡化控制的角度出發，當控制轉差率在S1≥S≥S2范圍內變化時，再生制動過程就可以避免出現過流。
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，但只要保證轉子轉速在超出定子旋轉頻率時，定子頻率跟蹤轉子速度變化，保持一定的負轉差率范圍，就可實現在無過流方式下的再生制動。
根據該思路，本文提出的再生制動方法如圖4所示，在直接轉矩控制（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、非零失量來調節瞬時轉差、控制輸出轉矩恒定，所以由磁鏈環節觀測定子磁鏈的幅值及相位，并且選擇失量控制鏈幅值大?。晦D矩控制環節（與磁鏈控制環節相結合）選擇失量控制磁鏈的旋轉速度。

如果其中的轉矩反饋被定子磁鏈的相位反饋替代，而控制磁鏈幅值的環節依舊保留，圖4可以轉變為圖5所示的一種新型的變頻調速方法，此時該系統是通過控制定子磁鏈的幅值大小以及旋轉速度來實現變頻調速的，因為該結構實際上采用了DTC控制方式，它保留了磁鏈控制環節，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，而在該結構基礎上實現的再生制動控制，就是使定子頻率跟蹤轉子速度變化，保證式（4）中確定的負轉差率范圍，就可以實現系統在制動過程中不出現過流。另一方面，制動效果的強弱可以通過調節轉差率和定子磁鏈幅值來實現。由于這種方法保留了DTC的結構和特點，所以能夠很好地與DTC的交流驅動系統兼容
四、結論
本文分析了籠型電機的再生制動狀態、過流與負轉差率之間的關系，提出了控制再生制動的方法，同時保證系統不出現過流，該方法結構簡單，能夠很好地融合到DTC系統中。