再生制动的分析与控制

摘 要：为了延长电动车的一次充电续驶里程，分析了笼型电机的再生制动状态，提出一种再生制动方法，它既能保证不出现过流，又能够很好地与直接转矩控制系统相融合。
关键词：再生制动；转矩控制；电动车
一、引言
为了降低电动车的使用成本，目前采用的驱动能源是铅酸蓄电池。但是铅酸蓄电池能量有限，所以电动车的一次充电续驶里程相对比较短，一般为150KM左右。因此，在现有的情况下延长车辆的一次充电续驶里程是一项很有意义的工作。
车辆在路上经常起动、刹车，而刹车是以消耗动能为热能的方式将能量白白浪费。因为笼型电机能够实现四个象限运行，所以通过控制电机在第二象限运行来实现再生制动，将车辆的动能转化为电能反馈回的电源储存，这样就可以有效延长车辆的一次充电续驶里程。电动车直接采用蓄电池作为驱动电源，可将再生制动反馈回的能量直接给蓄电池充电。无需像一般的交流调速系统那样逆变回交流电网，控制结构相对简单。
本文分析了再生制动时各失量状态的关系、功率开关的状态以及转差率与制动之间的关系，最后给出了一种再生制动的实现方法。
二、再生制动的状态分析
1、失量分析
图1为电机电动状态时的各磁链失量关系图，其中气隙磁链为ψa，定子磁链为ψ1，转子磁链为ψ2，当电机处于电动状态时，ψ1带动ψ2 旋转，ψ1在空间位置上超前于ψ2，电机输出正转矩。

图1 磁链矢量关系
当转子旋转速度超出定子频率时，电机进入第二象限运转，此时转子切割ψa 的方向与电动状态相反，转子中的感应电流的方向与电动状态时的方向相反，使ψa的幅值增大，为了保持ψa幅值恒定，定子电流需要反向以减小ψa幅值，定子电流方向表现为由电机流向滇池，在空间位置上转子电流超前于定子电流，此时电机的输出表现为制动转矩，系统机械能经电机转化为电能馈送回电池。在整个分析过程中，气隙磁场是实现电能与机械能相互转化的纽带，因此在实现再生制动的过程中，为了保证气隙磁场的存在，需要外加一定励磁电流。
2、开关的状态分析

图2 逆变桥结构
如图2所示，以电机A相电路为例，当A相的反电势超过电池电压幅值的0,866倍时（设A相电流为流出），VF4截止，VF5、VF6导通，A相电流经由VD1、VD5、VD6 形成通路，此时逆变桥处于整流状态，反电势经由续流二极管整流向电池充电，当A相的反电势低于电池电压幅值的0.866倍时，VF4导通，VF5 VF6截至，A相电流经由VF4、VF2、VF3形成通路，此时蓄电池经逆变桥向电机供电，实现励磁；当反电势出现换向时，相应的功率开关器件也发生同样的变动，此时A相电流为流进，当A相的反电势低于电池电压幅值的0.886倍时，VF4截至，VF5、VF6导通，A相电流经由VF1、VF5、VF6形成通路，蓄电池逆变桥向电机供电，实现励磁；当A相的反电势高于电池电压幅值的0.886倍时，VF4导通，VF5、VF6 截至，A相电流经由VD4 VD2 VD3形成通路，此时逆变桥处于整流状态，反电势经由续流二极管整流向电池充电、在宏观表现上看，再生制动过程表现为充电→励磁→充电→励磁的交替进行。从这一点上分析，控制再生制动的发生同样需要励磁电流，只是当励磁功率大于充电功率时，就可将再生制动终止。
3、制动与转差率
电机的L形等效电路如图3 所示，电机内部消耗的有功功率：

制动时电机负载产生的电功率：

假设电机所带负载具有的机械能基本上被电机内部所消耗，边界情况为式（1）与式（2）相等所以有：

由式（3）有：

当电机负转差率位于S1≥S≥S2范围时，系统的机械能经电机转化为电能向蓄电池回馈，同时电机不出现过流，也就是反馈的电能不能被电池吸收的部分，可以由电机本身承受消耗而不出现过流。当转差率变化超过该范围时，机械能经电机转化的电能无法有效回馈给电池，而剩余部分的能量在电机的线圈内阻中又无法完全消耗，因此容易出现过流。所以，从简化控制的角度出发，当控制转差率在S1≥S≥S2范围内变化时，再生制动过程就可以避免出现过流。
三、控制再生制动的方法
由上分析可知，再生制动的控制实际上是根据电机中反电势的大小、方向控制相应桥臂的功率开关器件的通断，保证一定的励磁电流，但这稚方法具体到每相桥臂的每个开关的控制时就比较麻烦，但只要保证转子转速在超出定子旋转频率时，定子频率跟踪转子速度变化，保持一定的负转差率范围，就可实现在无过流方式下的再生制动。
根据该思路，本文提出的再生制动方法如图4所示，在直接转矩控制（DTC）中，首先观测定子磁链、控制定子磁链的幅值为恒定，然后选择零失量、非零失量来调节瞬时转差、控制输出转矩恒定，所以由磁链环节观测定子磁链的幅值及相位，并且选择失量控制链幅值大小；转矩控制环节（与磁链控制环节相结合）选择失量控制磁链的旋转速度。

如果其中的转矩反馈被定子磁链的相位反馈替代，而控制磁链幅值的环节依旧保留，图4可以转变为图5所示的一种新型的变频调速方法，此时该系统是通过控制定子磁链的幅值大小以及旋转速度来实现变频调速的，因为该结构实际上采用了DTC控制方式，它保留了磁链控制环节，所以能够有效控制磁链的相位偏差，在这种情况下可以保证输出的电流谐波少，运行平稳，而在该结构基础上实现的再生制动控制，就是使定子频率跟踪转子速度变化，保证式（4）中确定的负转差率范围，就可以实现系统在制动过程中不出现过流。另一方面，制动效果的强弱可以通过调节转差率和定子磁链幅值来实现。由于这种方法保留了DTC的结构和特点，所以能够很好地与DTC的交流驱动系统兼容
四、结论
本文分析了笼型电机的再生制动状态、过流与负转差率之间的关系，提出了控制再生制动的方法，同时保证系统不出现过流，该方法结构简单，能够很好地融合到DTC系统中。