甘醇, 吳建華, 王寧, 楊仕友

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江杭州310027;2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司,浙江杭州310027)

一種零電壓保持開(kāi)通的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)再生制動(dòng)控制策略

甘醇1, 吳建華1, 王寧2, 楊仕友1

(1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院,浙江杭州310027;2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司,浙江杭州310027)

為了減小開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(switched reluctancemotor,SRM)再生制動(dòng)運(yùn)行時(shí)能量回饋對(duì)母線電壓的沖擊,對(duì)SRM再生制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析,研究了再生制動(dòng)能量對(duì)母線電壓造成的影響,提出一種零電壓保持開(kāi)通的三步制動(dòng)控制策略。以一臺(tái)三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為應(yīng)用對(duì)象,闡述了所提方法的工作原理和實(shí)施辦法。研究結(jié)果表明該方法既可以產(chǎn)生必要的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,又能降低再生制動(dòng)過(guò)程中的能量回饋對(duì)母線電壓所造成的沖擊,提高制動(dòng)過(guò)程的可靠性和安全性。仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī);直流母線電壓;再生制動(dòng);零電壓保持開(kāi)通;可靠性

0 引 言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(switched reluctance motor,SRM)調(diào)速系統(tǒng)是一種新型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,融合了電機(jī)學(xué)、電力電子、控制理論等眾多學(xué)科領(lǐng)域［1］。由于其具有高效率、高可靠性、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和低成本等優(yōu)點(diǎn),得到了快速發(fā)展。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有較好的起動(dòng)性能,寬廣的調(diào)速范圍,以及其易于實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行,所以適合應(yīng)用于各種電力傳動(dòng)系統(tǒng)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)SRM系統(tǒng)效率、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、故障診斷與無(wú)位置傳感器控制等方面進(jìn)行了深人研究［2-5］,但在制動(dòng)控制策略及制動(dòng)可靠性方面研究較少。

電機(jī)常用的制動(dòng)控制策略主要有慣性自由制動(dòng)、摩擦制動(dòng)、反接制動(dòng)和再生制動(dòng)［6］。慣性自由制動(dòng)是通過(guò)關(guān)閉系統(tǒng)所有控制信號(hào),讓電機(jī)依靠慣性自由停車,這種制動(dòng)方式時(shí)間較長(zhǎng),一般無(wú)法滿足制動(dòng)要求;摩擦制動(dòng)屬于機(jī)械制動(dòng),是通過(guò)機(jī)械摩擦將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉從而達(dá)到制動(dòng)停車的目的,這種方法可靠性較低,而且對(duì)機(jī)械設(shè)備損害較大,一般用于低成本裝置或者性能要求較低的場(chǎng)合。反接制動(dòng)和再生制動(dòng)都屬于電力制動(dòng),反接制動(dòng)是通過(guò)改變電機(jī)定子繞組的通電順序,使其有反轉(zhuǎn)趨勢(shì),從而產(chǎn)生較大的制動(dòng)力矩,而電機(jī)仍工作在電動(dòng)模式下,這種方法準(zhǔn)確性較差,制動(dòng)過(guò)程沖擊力強(qiáng)烈,易損壞傳動(dòng)部件,容易造成電機(jī)反轉(zhuǎn);再生制動(dòng)是在電機(jī)制動(dòng)過(guò)程中,通過(guò)改變控制策略讓電機(jī)工作在發(fā)電模式下,將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能回饋母線,同時(shí)制動(dòng)電流產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,再生制動(dòng)能量利用率高,控制參數(shù)多,是一種有效的制動(dòng)停車控制方法,該方法特別適合于電池供電的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［7-11］,例如電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),可以增加電池的續(xù)航能力。SRM可以通過(guò)改變開(kāi)通角和關(guān)斷角直接實(shí)現(xiàn)電動(dòng)模式和再生制動(dòng)模式的自由切換,而且不需要額外增加硬件,所以對(duì)SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)控制策略進(jìn)行研究具有重要意義。

文獻(xiàn)［12-13］研究了永磁同步電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化制動(dòng)控制策略,改善了系統(tǒng)制動(dòng)的可靠性,提高了能量回收利用率。文獻(xiàn)［14］對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制的永磁同步電機(jī)制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究,分析了電機(jī)制動(dòng)時(shí)能量的回饋和直流側(cè)母線電壓的變化,以及直流母線電壓變化對(duì)系統(tǒng)的影響,但并未提出有效的母線電壓泵升抑制方法。文獻(xiàn)［15］提出一種通過(guò)改變逆變器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通序列抑制永磁同步電機(jī)系統(tǒng)母線電壓泵升的控制方法。文獻(xiàn)［16-17］通過(guò)在SRM的功率變換器前端加人直流變換環(huán)節(jié),改善電機(jī)再生制動(dòng)狀態(tài)下的電流和速度的動(dòng)態(tài)響應(yīng),文獻(xiàn)［18-21］對(duì)SRM再生制動(dòng)過(guò)程中的電流、轉(zhuǎn)矩和能量轉(zhuǎn)化進(jìn)行相關(guān)分析,通過(guò)對(duì)SRM的開(kāi)通角、關(guān)斷角等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制,對(duì)電機(jī)的再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),但以上文中沒(méi)有討論再生能量回饋對(duì)母線電壓泵升和過(guò)電流的影響與抑制方法。文獻(xiàn)［22］研究了SRM再生制動(dòng)能量和母線電壓之間的關(guān)系,提出將再生制動(dòng)能量消耗在相鄰相繞組上的方法,從而降低對(duì)母線電壓的沖擊。但是該方法在制動(dòng)過(guò)程中通過(guò)導(dǎo)通另一相繞組消耗能量,導(dǎo)通相會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)轉(zhuǎn)矩,影響制動(dòng)性能,而對(duì)于電池供電的系統(tǒng),此方法的能量利用率較低。文獻(xiàn)［23］對(duì)SRM電動(dòng)模式下的零電壓換相控制進(jìn)行研究,分析了零電壓換相過(guò)程對(duì)速度、轉(zhuǎn)矩以及效率的影響,并與傳統(tǒng)的控制方式進(jìn)行比較,說(shuō)明了零電壓換相控制可以改善電流波形,提高系統(tǒng)效率,但并未對(duì)再生制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析。

SRM工作在傳統(tǒng)再生制動(dòng)模式下,再生制動(dòng)能量回饋會(huì)造成直流母線電壓泵升,同時(shí)較大的充電電流可能會(huì)損壞母線電容以及電力電子器件。本文提出一種零電壓保持開(kāi)通的三步制動(dòng)控制策略,采用全電壓開(kāi)通、零電壓保持開(kāi)通和全電壓關(guān)斷的三步方式,解決了提前關(guān)斷時(shí)反電動(dòng)勢(shì)較小使制動(dòng)電流快速下降而帶來(lái)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足的問(wèn)題,三步制動(dòng)控制策略既能產(chǎn)生必要的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,又可以減小再生制動(dòng)階段的過(guò)電壓和過(guò)電流對(duì)直流母線和電力電子器件造成的沖擊,將母線電壓降到安全電壓內(nèi),對(duì)于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量還可以對(duì)蓄電池進(jìn)行充電,提高電動(dòng)車的續(xù)航旅程。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。

1 SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

三相12/8極SRM的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。圖中繞組A1、A2、A3、A4串聯(lián)構(gòu)成A相繞組,βs、βr為定、轉(zhuǎn)子極弧角。轉(zhuǎn)子槽中心線與定子極中心線重合的位置為轉(zhuǎn)子不對(duì)齊位置,定義為開(kāi)通角的參考零點(diǎn);轉(zhuǎn)子極中心線與定子極中心線重合位置為轉(zhuǎn)子對(duì)齊位置,參見(jiàn)圖1(a)標(biāo)示。電動(dòng)運(yùn)行時(shí)通常選擇各相的開(kāi)通角在轉(zhuǎn)子不對(duì)齊位置附近,關(guān)斷角在轉(zhuǎn)子對(duì)齊位置之前。在SRM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,功率變換器對(duì)SRM的可靠運(yùn)行至關(guān)重要,不對(duì)稱半橋型功率變換器控制方式靈活,具有較好的容錯(cuò)性能,其三相主電路結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

為減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),降低開(kāi)關(guān)損耗,提高系統(tǒng)效率,常用的控制策略為:A相導(dǎo)通階段,下管S2保持開(kāi)通,上管S1實(shí)行斬波控制,電源向繞組供電;A相關(guān)斷階段,S1、S2均關(guān)斷,繞組通過(guò)續(xù)流二極管D1和D2實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓續(xù)流,能量快速回饋電源。電機(jī)運(yùn)行采用單雙相混合激勵(lì)(A-AB-B-BC-CCA)的開(kāi)通方式。不對(duì)稱半橋型功率變換器每個(gè)橋臂使用兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管,各相之間相互獨(dú)立,容錯(cuò)性能好,穩(wěn)定性強(qiáng)。

圖1 SRM與功率變換器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structures of SRM and power converter

圖2 為SRM系統(tǒng)控制框圖和能量流動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)階段電機(jī)從母線吸收電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,再生制動(dòng)階段電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能回饋給母線,通過(guò)控制功率變換器,能量可以實(shí)現(xiàn)雙向傳輸。圖3為不對(duì)稱半橋型功率變換器的3種工作模式,圖3(a)上、下管同時(shí)開(kāi)通,為正電壓導(dǎo)通階段,圖3(b)上管關(guān)斷,下管開(kāi)通,為零電壓續(xù)流階段,圖3(c)上、下管同時(shí)關(guān)斷,為負(fù)電壓續(xù)流階段,即能量回饋階段。

圖2 SRM系統(tǒng)的控制框圖及能量流動(dòng)狀態(tài)Fig.2 Control block diagram and the energy flow states of SRM system

圖3 功率變換器的3種工作模式Fig.3 Three operation modes of power converter

2 SRM的再生制動(dòng)分析

2.1 再生制動(dòng)過(guò)程與母線電壓泵升

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的電壓平衡方程為

式中:U為相電壓,其正負(fù)的取值由電機(jī)工況決定,導(dǎo)通階段為正,能量回饋階段為負(fù);R為相繞組電阻;L為相繞組電感;i為相電流;ω為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度;θ為轉(zhuǎn)子角位置。式(1)右邊第一項(xiàng)為繞組電阻壓降,第二項(xiàng)為電流變化產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),第三項(xiàng)為轉(zhuǎn)子位置變化產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。

繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置角的變化呈非線性變化,電機(jī)一相的電磁轉(zhuǎn)矩方程為

在電感上升區(qū)間內(nèi)(d L/dθ＞0),產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩(Te＞0),在電感下降區(qū)間內(nèi)(d L/dθ＜0),產(chǎn)生反向的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩(Te＜0)。

電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為

式中:Tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;B為阻尼系數(shù)。由式(1)～式(3)可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)子角速度ω。

圖4為再生制動(dòng)階段的電流和電感關(guān)系曲線。圖中,θon、θoff分別為電機(jī)的開(kāi)通角和關(guān)斷角,K1K2區(qū)間為電流勵(lì)磁階段,系統(tǒng)從母線端吸收電能和輸出機(jī)械能,轉(zhuǎn)化為繞組儲(chǔ)能,K2K5或K2K3K4區(qū)間為能量回饋階段,產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩并回饋母線電能。在電感下降區(qū)間,同時(shí)開(kāi)通上、下管將使電機(jī)進(jìn)人發(fā)電狀態(tài),當(dāng)制動(dòng)電流建立后,同時(shí)關(guān)斷上、下管,產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,能量同時(shí)回饋直流母線。

忽略繞組電阻壓降的影響,根據(jù)式(1),發(fā)電制動(dòng)階段能量回饋電源,U取負(fù)值,其電壓平衡方程可以改寫為電流斜率的形式為

圖4 再生制動(dòng)模式下的相電流和相電感關(guān)系Fig.4 Relationship between phase inductance and phase current in regenerative braking mode

在開(kāi)通角θon到關(guān)斷角θoff區(qū)間內(nèi),機(jī)械能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)儲(chǔ)能,轉(zhuǎn)子位置到達(dá)關(guān)斷角度時(shí),勵(lì)磁電流K1K2已經(jīng)建立,關(guān)斷繞組后,系統(tǒng)向母線充電。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速之下的中低速狀態(tài)時(shí),若反電動(dòng)勢(shì)比相電壓小,則

此時(shí),d i/d t＜0,制動(dòng)電流將沿著K2K5軌跡快速下降。

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速之上的高速狀態(tài)時(shí),若反電動(dòng)勢(shì)比相電壓大,則

此時(shí),d i/d t＞0,制動(dòng)電流先沿著K2K3軌跡上升,之后再沿著K3K4軌跡下降。轉(zhuǎn)子位置到達(dá)θm時(shí)的電流峰值為

式中Lmin為相繞組電感的最小值。

由此可見(jiàn),轉(zhuǎn)速的高低決定了反電動(dòng)勢(shì)的大小,而反電動(dòng)勢(shì)的大小直接影響到［θoff,θm］區(qū)間內(nèi)的制動(dòng)電流。

式中Lmax為相繞組電感的最大值。

由一相電流充電造成的母線電容兩端的電壓增量為

則三相電流共同充電造成的母線電容兩端的電壓增量為

2.2 零電壓保持開(kāi)通三步制動(dòng)控制策略

進(jìn)人發(fā)電區(qū)域時(shí),制動(dòng)電流的大小反映了制動(dòng)的強(qiáng)度,也反映了儲(chǔ)存磁場(chǎng)能量的大小,通過(guò)對(duì)制動(dòng)電流進(jìn)行控制,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電過(guò)程的控制。

如果外加電源電壓和電機(jī)轉(zhuǎn)速均為常數(shù),則電流波形與開(kāi)通角、關(guān)斷角和電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。對(duì)于傳統(tǒng)制動(dòng)方式,若電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)小于換向電壓,當(dāng)繞組在θoff1位置提前關(guān)斷時(shí),制動(dòng)電流過(guò)早下降,如圖5(a)中i1(θ),系統(tǒng)將無(wú)法產(chǎn)生足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;當(dāng)繞組在θoff2位置正常關(guān)斷時(shí),制動(dòng)電流將會(huì)很大,如圖5(b)中i2(θ),對(duì)母線電容和電子器件造成過(guò)電流和過(guò)電壓沖擊,影響系統(tǒng)可靠性。

本文提出一種零電壓保持開(kāi)通的三步制動(dòng)控制策略,第一步,在電感下降區(qū)間內(nèi)同時(shí)開(kāi)通上下管,使電流上升;第二步,在開(kāi)通區(qū)間內(nèi)θoff1位置將上管關(guān)斷,同時(shí)下管保持開(kāi)通,此時(shí)繞組外加電壓為零,無(wú)論反電動(dòng)勢(shì)為多大,其必然大于繞組電壓,由式(4)、式(6)可知電流將保持上升,這樣可以將充電電流保持在一定幅值內(nèi),同時(shí)產(chǎn)生有效的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,解決了提前關(guān)斷后反電動(dòng)勢(shì)較小造成的轉(zhuǎn)矩不足問(wèn)題,并避免了產(chǎn)生過(guò)大的制動(dòng)電流;第三步,當(dāng)轉(zhuǎn)子位置到達(dá)θoff2時(shí),關(guān)斷下管,能量回饋電源。三步制動(dòng)的電流如圖5中i(θ)所示。圖6為全周期導(dǎo)通制動(dòng)和零電壓保持制動(dòng)時(shí)的A相驅(qū)動(dòng)信號(hào)與對(duì)應(yīng)相電感示意圖。轉(zhuǎn)子位置θoff1到θoff2區(qū)間內(nèi)為下管保持開(kāi)通階段,其中一部分能量消耗在激勵(lì)相繞組上,一部分能量轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)儲(chǔ)能,可以增大發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)的有效電流面積,同時(shí)又可以減小過(guò)大的充電電流對(duì)變換器造成的損害。

圖5 不同的角度控制策略對(duì)制動(dòng)電流的影響Fig.5 In fluence of different angle control strategies to braking current

圖6 驅(qū)動(dòng)信號(hào)與相電感的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Relationship between driving signals and phase inductance

3 仿真結(jié)果

仿真模型采用的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要參數(shù)如表1所示。SRM控制系統(tǒng)的非線性仿真模型利用Matlab/ SIMULINK建立,電機(jī)本體部分的磁鏈與轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊參數(shù)采用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的Ansoft有限元分析數(shù)據(jù)導(dǎo)人。功率變換器部分直接采用SimPowerSystems模塊搭建,驅(qū)動(dòng)部分采用脈寬調(diào)制信號(hào)配合邏輯輸出實(shí)現(xiàn)。

表1 樣機(jī)參數(shù)Table 1 M otor parameters

圖7、圖8分別為額定1 500 r/min恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí),全周期導(dǎo)通和零電壓保持開(kāi)通兩種制動(dòng)控制策略下的A相相電流ia、相轉(zhuǎn)矩Ta、A相開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)S1和S2、充電電壓ΔUdc以及充電電流if的仿真波形。圖7中的開(kāi)通角θon為22°,關(guān)斷角θoff為42°,圖8中的開(kāi)通角和關(guān)斷角與圖7中的相同,其中零電壓保持階段的零電壓導(dǎo)通初始角θoff1為30°,零電壓關(guān)斷角θoff2為42°。

圖7 全周期導(dǎo)通制動(dòng)Fig.7 Full-cycle conduction braking

圖8 零電壓保持開(kāi)通制動(dòng)Fig.8 Zero-voltage loop hold braking

當(dāng)采用全周期導(dǎo)通的控制方法時(shí),勵(lì)磁電流的峰值很大,雖然產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大,但是繞組關(guān)斷后,較大的充電電流回饋母線,引起母線電壓泵升,如圖7(b)所示。在相繞組開(kāi)通區(qū)間內(nèi),若采用零電壓保持開(kāi)通的控制方法,無(wú)論電機(jī)轉(zhuǎn)速高低,在下管保持開(kāi)通的區(qū)間內(nèi)電流將繼續(xù)上升,不受反電動(dòng)勢(shì)較小的影響,仍然可以產(chǎn)生有效的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,而充電電流幅值相對(duì)于全角度開(kāi)通時(shí)會(huì)明顯降低,母線電壓增量也會(huì)相應(yīng)降低,如圖8(b)所示,可以起到保護(hù)母線電容和功率開(kāi)關(guān)器件的目的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1,采用不對(duì)稱半橋型功率變換器驅(qū)動(dòng),母線電容4 000μF,負(fù)載轉(zhuǎn)矩0.83 N·m?？刂品绞讲捎脭夭ㄕ{(diào)壓控制,并以模糊PI控制算法構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)。主控芯片采用DSP TMS320F28335并配以高速邏輯電路,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Experimental p latform

圖10 為不同制動(dòng)控制策略下的母線電壓與對(duì)應(yīng)的A相電流和轉(zhuǎn)速波形。圖11為不同制動(dòng)控制策略下的A相電流及對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)由額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min斷電后慣性自由制動(dòng)的時(shí)間較長(zhǎng),所需時(shí)間2.3 s,如圖10(a)。當(dāng)采用全周期導(dǎo)通控制的再生制動(dòng)控制策略時(shí),開(kāi)通角θon為22°,關(guān)斷角θoff2為42°,雖然制動(dòng)時(shí)間0.22 s較短,但是母線電壓飆升至101 V,嚴(yán)重超過(guò)了正常工作電壓60 V,而且制動(dòng)電流上升較快,很容易造成系統(tǒng)過(guò)電流,其最大峰值也增大到正常電流的7.5倍左右,如圖10(b)和圖11(a),過(guò)電壓和過(guò)電流很容易造成母線電容和電力電子器件損壞。當(dāng)采用提前關(guān)斷的制動(dòng)方式時(shí),開(kāi)通角θon為22°,關(guān)斷角θoff提前至30°,雖然母線電壓上升不明顯,但是制動(dòng)時(shí)間為1.6 s,制動(dòng)電流較小不足以產(chǎn)生足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,影響制動(dòng)性能,最大制動(dòng)電流峰值為正常電流的4.3倍,如圖10(c)和圖11(b)。

圖10 母線電壓、相電流與轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveforms of DC bus voltage,phase current and speed

圖11 相電流與驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Experimentalwaveform s of phase current and driving signals

若采用零電壓保持開(kāi)通三步制動(dòng)控制策略,當(dāng)零電壓開(kāi)通初始角θoff1為35°,零電壓關(guān)斷角θoff2為42°,制動(dòng)時(shí)間為0.45 s,雖然制動(dòng)電流峰值降至正常電流的4.5倍,但是母線電壓仍然飆升至100 V,如圖10(d)所示;當(dāng)零電壓開(kāi)通初始角θoff1為30°,零電壓關(guān)斷角θoff2為42°,制動(dòng)時(shí)間為0.8 s,母線電壓僅升高至73 V,制動(dòng)電流峰值也僅為正常電流的2.5倍,如圖10(e)所示。在零電壓開(kāi)通區(qū)間內(nèi)電流仍然繼續(xù)上升,如圖11(c)所示,不受反電動(dòng)勢(shì)小于繞組電壓的影響,并且可以有效地將制動(dòng)電流保持在一定幅值內(nèi),產(chǎn)生有效的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,同時(shí)提高能量回饋利用率。因此采用零電壓保持開(kāi)通的制動(dòng)控制策略,選取合適的零電壓保持開(kāi)通區(qū)間,可以有效地抑制母線電壓和制動(dòng)電流的飆升,同時(shí)獲得良好的制動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有良好的一致性,研究表明:

1)采用全周期導(dǎo)通制動(dòng)方式時(shí),再生能量回饋造成母線電壓泵升,超出器件所承受的安全范圍,同時(shí)較大的充電電流也可能造成電力電子器件損壞,使系統(tǒng)的可靠性降低。而采用提前關(guān)斷的控制方式時(shí),制動(dòng)電流較小,無(wú)法產(chǎn)生足夠的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于無(wú)法有效地工作在發(fā)電狀態(tài),其能量利用率較低。

2)采用零電壓保持制動(dòng)的控制策略時(shí),若零電壓開(kāi)通初始角度靠近關(guān)斷角,雖然充電電流峰值有所下降,但是母線電壓增量仍然較大,系統(tǒng)再生制動(dòng)下的可靠性仍較低;若零電壓開(kāi)通初始角度靠近開(kāi)通角,可以有效地抑制母線電壓泵升和降低過(guò)大的充電電流峰值,將其控制在安全電壓和電流范圍內(nèi),同時(shí)產(chǎn)生一定的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,雖然其制動(dòng)時(shí)間有所增加,但仍可以達(dá)到快速制動(dòng)的目的。由于其維持了一定發(fā)電狀態(tài)下的有效電流面積,使得能量利用率較高,特別是對(duì)于電池驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng),可以增加電池的續(xù)航能力。

5 結(jié) 論

本文對(duì)SRM的再生制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析,討論了再生制動(dòng)能量回饋與母線電壓的關(guān)系,提出了一種零電壓保持開(kāi)通的三步制動(dòng)控制策略,即采用全電壓開(kāi)通、零電壓保持開(kāi)通和全電壓關(guān)斷的三步制動(dòng)方式,使制動(dòng)電流不再受反電動(dòng)勢(shì)較小的影響。選取合適的零電壓保持開(kāi)通區(qū)間,可以有效地抑制母線電壓泵升和過(guò)大的充電電流,提高系統(tǒng)制動(dòng)的安全性,同時(shí)產(chǎn)生有效的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,達(dá)到快速制動(dòng)的目的。通過(guò)下管保持開(kāi)通的方式,可以維持有效的發(fā)電制動(dòng)狀態(tài),提高系統(tǒng)的能量利用率。

［1］ MILLER T JE.Switched reluctancemotors and their control［M］. London:Magna Physics Publishing and Oxford Science Publications,1993:3-25.

［2］ SHEN L,WU J,YANG S.Initial position estimation in SRM using bootstrap circuit without predefined inductance parameters［J］. IEEE Transactions on Power Electronics 2011,26(9):2449 -2456.

［3］ WANG SY,TSENG C L,CHIEN SC.Adaptive fuzzy cerebellar model articulation control for switched reluctancemotor drive［J］. IET Electric Power Applications,2012,6(3):190-202.

［4］ MORON C,GARCIA A,TREMPS E,et al.Torque control of switched reluctancemotors［J］.IEEE Transactions on Magnetics,2012,48(4):1661-1664.

［5］ GAMEIRO N S,MARQUESC A J.A new method for power converter fault diagnosis in SRM drives［J］.IEEE Transactions on In-dustry Application,2012,48(2):653-662.

［6］ 周希章,周全.電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001:91-121.

［7］ 王猛,孫澤昌,卓桂榮,等.電動(dòng)汽車制動(dòng)能量回收最大化影響因素分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,40(4):583 -588. WANG Meng,SUN Zezhang,ZHUO Guirong,et al.Maximum braking energy recovery of electric vehicles and its influencing factors［J］.Journal of Tongji University:Natural Science,2012,40 (4):583-588.

［8］ 張京明,任殿波,杜維南,等.并行再生制動(dòng)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào),2011,24(5):113-119. ZHANG Jingming,REN Dianbo,DU Weinan,et al.Design and development of controller for parallel regenerative braking system［J］.China Journal of Highway and Transport,2011,24(5): 113-119.

［9］ 何仁,陳慶樟.用雙開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的汽車能量再生制動(dòng)技術(shù)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2009,39(5):1137-1141. HE Ren,CHEN Qingzhang.Vehicle regenerative braking using dual switched reluctance motors/generators［J］.Journal of Jilin University:Engineering and Technology Edition,2009,39(5): 1137-1141.

［10］ 胡慶波,鄭繼文,呂征宇.混合動(dòng)力中無(wú)刷直流電機(jī)反接制動(dòng)PWM調(diào)制方式的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2007,27 (30):87-91. HU Qingbo,ZHENG Jiwen,LV Zhengyu.Study on PWM strategy for braking of brushless DC motor in hybrid electric vehicle［J］.Proceedings of the CSEE,2007,27(30):87-91.

［11］ 曹志亮,朱學(xué)忠,劉迪吉.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)再生制動(dòng)分析與應(yīng)用［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2001,33(1):60-63. CAO Zhiliang,ZHU Xuezhong,LIU Diji.Analysis and application for regenerative brakemode of SRM［J］.Journal of Nanjing University of Aeronauties&Astronauties,2001,33(1):60 -63.

［12］ HEERAM P,CHOI S B.Development of a sensorless control method for a self-energizing brake system using noncircular gears［J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology,2013,21(4):1328-1339.

［13］ XIN X Z,JIAN C F.Precise braking torque control for attitude control flywheel with small inductance brushless DC motor［J］. IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(11):5380 -5390.

［14］ 陳榮,鄧智泉,嚴(yán)仰光.基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制的永磁同步電機(jī)制動(dòng)過(guò)程分析［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2004,19(9):30 -36. CHENG Rong,DENG Zhiquan,YAN Yangguang.Analysis of braking process of permanent magnet synchronous motor［J］. Transactions of China Electrotechnical Society,2004,19(9): 30-36.

［15］ ITOH JI,AOKIW,GOH TC,etal.Suppressionmethod of rising DC voltage for the halt sequence of an inverter in the motor regeneration［C］//IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),September 15-19,2013,Denver,USA. 2013:188-195.

［16］ HUNG C C,CHANG M L.Development of a compact switchedreluctance motor drive for EV propulsion with voltage-boosting and PFC charging capabilities［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology,2009,58(7):3198-3215.

［17］ HUNG C C,CHANG M L.On the front-end converter and its control for a battery powered switched-reluctance motor drive. IEEE Transactions on Power Electronics［J］.2008,23(4): 2143-2156.

［18］ BEN D L,WEIH Z,JIA H Y.The research of an energy recovery retarderwith SRM structure［C］//IEEE International Conference on Mechatronics and Automation(ICMA),August7-10,2011,Beijing,China.2011:1877-1881.

［19］ 李廣海,葉勇,蔣靜坪.3kW開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的再生制動(dòng)實(shí)現(xiàn)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(2):124-128. LIGuanghai,YE Yong,JIANG Jingping.Study on regenerative braking of 3kW switched reluctance motor［J］.Proceedings of the CSEE,2004,24(2):124-128.

［20］ XUE X D,CHENG K W E,NG TW,et al.Investigation on characteristics of braking operation of switched reluctance motor drives for electric vehicles［C］//Australasian Universities Power Engineering Conference(AUPEC),December 14-17,2008,Sydney,Australia.2008:1-6.

［21］ XIAO Y L,CHUANG L,MING L,et al.Regenerative braking control strategies of switched reluctancemachine for electric bicycle［C］//IEEE International Conference on Electrical Machines and Systems(ICEMS),October 17-20,2008,Wuhan,China.2008:3397-400.

［22］ SHENG M Y,JIAN Y C.Controlled dynamic braking for switched reluctance motor drives with a rectifier front end［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(11):4913 -4919.

［23］ FERNANDOW,BARNESM.Electromagnetic energy conversion efficiency enhancement of switched reluctance motors with zerovoltage loop current commutation［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion,2013,28(3):482-492.

(編輯:劉琳琳)

Regenerative braking control strategy for sw itched reluctance motors w ith zero-voltage loop hold

GAN Chun1, WU Jian-hua1, WANG Ning2, YANG Shi-you1
(1.College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China 2;Maintenance Company of State Grid Zhejiang Electric Power Company,Hangzhou 310027,China)

In order to reduce the impact on the DC bus voltage in switched reluctance motor(SRM) driveswhen themotor works in the regenerative braking conditions,the regenerative braking processwas analyzed,the regenerative braking energy on the impact of DC bus voltage was investigated,and a new control strategy of three-step regenerative braking operation with zero-voltage loop hold was proposed.The working principle and implemented method of the proposed scheme were presented in details based on a three-phase SRM.The results show that the essential braking torque can be generated,the impact of braking energy feedback to the DC bus is reduced in the process of regenerative braking,and the reliability and security of the braking operation are improved.The simulation and experiment are carried out to verify the effectiveness and practicality of the proposed method.

switched reluctancemotor;DC bus voltage;regenerative braking;zero-voltage loop hold;reliability

10.15938/j.emc.2015.09.002

TM 352

A

1007-449X(2015)09-0008-08

2014-04-16

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863計(jì)劃”(2011AA11A101);國(guó)家自然科學(xué)基金(51377139)

甘 醇(1987—),男,博士研究生,研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)系統(tǒng)的控制與電磁分析;吳建華(1963—),男,博士,教授,研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電機(jī)CAD,開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)及永磁電機(jī),電機(jī)噪聲振動(dòng)抑制;王 寧(1990—),女,碩士,研究方向?yàn)榘l(fā)電機(jī)電磁仿真與配電網(wǎng)自動(dòng)化;楊仕友(1964—),男,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)理論及其應(yīng)用。

吳建華