摘 要：為了延長電動(dòng)車的一次充電續(xù)駛里程，分析了籠型電機(jī)的再生制動(dòng)狀態(tài)，提出一種再生制動(dòng)方法，它既能保證不出現(xiàn)過流，又能夠很好地與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)相融合。
關(guān)鍵詞：再生制動(dòng)；轉(zhuǎn)矩控制；電動(dòng)車
一、引言
為了降低電動(dòng)車的使用成本，目前采用的驅(qū)動(dòng)能源是鉛酸蓄電池。但是鉛酸蓄電池能量有限，所以電動(dòng)車的一次充電續(xù)駛里程相對(duì)比較短，一般為150KM左右。因此，在現(xiàn)有的情況下延長車輛的一次充電續(xù)駛里程是一項(xiàng)很有意義的工作。
車輛在路上經(jīng)常起動(dòng)、剎車，而剎車是以消耗動(dòng)能為熱能的方式將能量白白浪費(fèi)。因?yàn)榛\型電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)四個(gè)象限運(yùn)行，所以通過控制電機(jī)在第二象限運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能反饋回的電源儲(chǔ)存，這樣就可以有效延長車輛的一次充電續(xù)駛里程。電動(dòng)車直接采用蓄電池作為驅(qū)動(dòng)電源，可將再生制動(dòng)反饋回的能量直接給蓄電池充電。無需像一般的交流調(diào)速系統(tǒng)那樣逆變回交流電網(wǎng)，控制結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單。
本文分析了再生制動(dòng)時(shí)各失量狀態(tài)的關(guān)系、功率開關(guān)的狀態(tài)以及轉(zhuǎn)差率與制動(dòng)之間的關(guān)系，最后給出了一種再生制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法。
二、再生制動(dòng)的狀態(tài)分析
1、失量分析
圖1為電機(jī)電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的各磁鏈?zhǔn)Я筷P(guān)系圖，其中氣隙磁鏈為ψa，定子磁鏈為ψ1，轉(zhuǎn)子磁鏈為ψ2，當(dāng)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，ψ1帶動(dòng)ψ2 旋轉(zhuǎn)，ψ1在空間位置上超前于ψ2，電機(jī)輸出正轉(zhuǎn)矩。

圖1 磁鏈?zhǔn)噶筷P(guān)系
當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度超出定子頻率時(shí)，電機(jī)進(jìn)入第二象限運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)轉(zhuǎn)子切割ψa 的方向與電動(dòng)狀態(tài)相反，轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流的方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)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(xiàn)為由電機(jī)流向滇池，在空間位置上轉(zhuǎn)子電流超前于定子電流，此時(shí)電機(jī)的輸出表現(xiàn)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)機(jī)械能經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能饋送回電池。在整個(gè)分析過程中，氣隙磁場是實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的紐帶，因此在實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)的過程中，為了保證氣隙磁場的存在，需要外加一定勵(lì)磁電流。
2、開關(guān)的狀態(tài)分析

圖2 逆變橋結(jié)構(gòu)
如圖2所示，以電機(jī)A相電路為例，當(dāng)A相的反電勢(shì)超過電池電壓幅值的0,866倍時(shí)（設(shè)A相電流為流出），VF4截止，VF5、VF6導(dǎo)通，A相電流經(jīng)由VD1、VD5、VD6 形成通路，此時(shí)逆變橋處于整流狀態(tài)，反電勢(shì)經(jīng)由續(xù)流二極管整流向電池充電，當(dāng)A相的反電勢(shì)低于電池電壓幅值的0.866倍時(shí)，VF4導(dǎo)通，VF5 VF6截至，A相電流經(jīng)由VF4、VF2、VF3形成通路，此時(shí)蓄電池經(jīng)逆變橋向電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁；當(dāng)反電勢(shì)出現(xiàn)換向時(shí)，相應(yīng)的功率開關(guān)器件也發(fā)生同樣的變動(dòng)，此時(shí)A相電流為流進(jìn)，當(dāng)A相的反電勢(shì)低于電池電壓幅值的0.886倍時(shí)，VF4截至，VF5、VF6導(dǎo)通，A相電流經(jīng)由VF1、VF5、VF6形成通路，蓄電池逆變橋向電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁；當(dāng)A相的反電勢(shì)高于電池電壓幅值的0.886倍時(shí)，VF4導(dǎo)通，VF5、VF6 截至，A相電流經(jīng)由VD4 VD2 VD3形成通路，此時(shí)逆變橋處于整流狀態(tài)，反電勢(shì)經(jīng)由續(xù)流二極管整流向電池充電、在宏觀表現(xiàn)上看，再生制動(dòng)過程表現(xiàn)為充電→勵(lì)磁→充電→勵(lì)磁的交替進(jìn)行。從這一點(diǎn)上分析，控制再生制動(dòng)的發(fā)生同樣需要?jiǎng)?lì)磁電流，只是當(dāng)勵(lì)磁功率大于充電功率時(shí)，就可將再生制動(dòng)終止。
3、制動(dòng)與轉(zhuǎn)差率
電機(jī)的L形等效電路如圖3 所示，電機(jī)內(nèi)部消耗的有功功率：

制動(dòng)時(shí)電機(jī)負(fù)載產(chǎn)生的電功率：

假設(shè)電機(jī)所帶負(fù)載具有的機(jī)械能基本上被電機(jī)內(nèi)部所消耗，邊界情況為式（1）與式（2）相等所以有：

由式（3）有：

當(dāng)電機(jī)負(fù)轉(zhuǎn)差率位于S1≥S≥S2范圍時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械能經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能向蓄電池回饋，同時(shí)電機(jī)不出現(xiàn)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(jī)本身承受消耗而不出現(xiàn)過流。當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化超過該范圍時(shí)，機(jī)械能經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)化的電能無法有效回饋給電池，而剩余部分的能量在電機(jī)的線圈內(nèi)阻中又無法完全消耗，因此容易出現(xiàn)過流。所以，從簡化控制的角度出發(fā)，當(dāng)控制轉(zhuǎn)差率在S1≥S≥S2范圍內(nèi)變化時(shí)，再生制動(dòng)過程就可以避免出現(xiàn)過流。
三、控制再生制動(dòng)的方法
由上分析可知，再生制動(dòng)的控制實(shí)際上是根據(jù)電機(jī)中反電勢(shì)的大小、方向控制相應(yīng)橋臂的功率開關(guān)器件的通斷，保證一定的勵(lì)磁電流，但這稚方法具體到每相橋臂的每個(gè)開關(guān)的控制時(shí)就比較麻煩，但只要保證轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在超出定子旋轉(zhuǎn)頻率時(shí)，定子頻率跟蹤轉(zhuǎn)子速度變化，保持一定的負(fù)轉(zhuǎn)差率范圍，就可實(shí)現(xiàn)在無過流方式下的再生制動(dòng)。
根據(jù)該思路，本文提出的再生制動(dòng)方法如圖4所示，在直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）中，首先觀測(cè)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(diào)節(jié)瞬時(shí)轉(zhuǎn)差、控制輸出轉(zhuǎn)矩恒定，所以由磁鏈環(huán)節(jié)觀測(cè)定子磁鏈的幅值及相位，并且選擇失量控制鏈幅值大小；轉(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)（與磁鏈控制環(huán)節(jié)相結(jié)合）選擇失量控制磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度。

如果其中的轉(zhuǎn)矩反饋被定子磁鏈的相位反饋替代，而控制磁鏈幅值的環(huán)節(jié)依舊保留，圖4可以轉(zhuǎn)變?yōu)閳D5所示的一種新型的變頻調(diào)速方法，此時(shí)該系統(tǒng)是通過控制定子磁鏈的幅值大小以及旋轉(zhuǎn)速度來實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)實(shí)際上采用了DTC控制方式，它保留了磁鏈控制環(huán)節(jié)，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(yùn)行平穩(wěn)，而在該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的再生制動(dòng)控制，就是使定子頻率跟蹤轉(zhuǎn)子速度變化，保證式（4）中確定的負(fù)轉(zhuǎn)差率范圍，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在制動(dòng)過程中不出現(xiàn)過流。另一方面，制動(dòng)效果的強(qiáng)弱可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率和定子磁鏈幅值來實(shí)現(xiàn)。由于這種方法保留了DTC的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，所以能夠很好地與DTC的交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兼容
四、結(jié)論
本文分析了籠型電機(jī)的再生制動(dòng)狀態(tài)、過流與負(fù)轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系，提出了控制再生制動(dòng)的方法，同時(shí)保證系統(tǒng)不出現(xiàn)過流，該方法結(jié)構(gòu)簡單，能夠很好地融合到DTC系統(tǒng)中。