单相集成车载充电器的充电控制

2018-09-05刘陵顺葛宝川吕兴贺孔德彪

微特电机 2018年8期

刘陵顺，葛宝川，吕兴贺，孔德彪

(1.海军航空工程学院，烟台 264001；2.中国人民解放军92950部队，葫芦岛 125100)

0 引言

近年来，随着环境污染和能源问题越来越严重，以清洁、无污染的能源——电力驱动的电动汽车发展越来越快，应用也越来越普及[1-4]。在电动汽车中，传动系统和充电系统不能同时工作。当充电系统工作时，传动系统的电力电子设备(主要是电机和变流器)可以集成到充电系统中，以达到减少使用的电力电子设备的目的。将三相电机集成到充电系统中时，为使电机在充电过程中静止不转，需要添加额外的设备[5]或者对电机实行机械锁定[6]。将多相电机集成到充电系统中时，依据多相电机多个自由平面的性质，无需额外操作即可实现充电过程中电机静止不转[7-10]。相比较而言，基于多相电机的集成充电器比基于三相电机的集成充电器更加节约成本、占有更少车内空间。文献[7]提出一种基于多相电机的单相集成车载充电器，将电动汽车的充电过程和驱动过程集成，减少了电力电子器件的使用。以非对称九相感应电机、对称和非对称六相感应电机、五相感应电机为例，分析了充电过程中多相电机静止不转的原理，以比例谐振控制的控制方案实现对基于多相电机的单相车载集成充电器的充电过程的控制。

本文主要研究基于六相永磁同步电机(双Y移30°永磁同步电机)的单相集成车载充电器充电过程的单位功率因数控制方案，将电机2个三相绕组中同相位的电流分别移相和坐标变换，使电流的有功分量和无功分量分开，再通过PI控制使无功分量趋于0，实现充电过程的单位功率因数运行。

1 基于六相永磁同步电机的单相集成车载充电器的理论分析

基于六相永磁同步电机的单相集成车载充电器的系统框图如图1所示。在充电过程中，单相电网的2个网端连接到电机的2个中性点上。电机6个相的电阻和电感均相同，连接到三相绕组的3个变流器桥臂同时控制。

图1 基于六相永磁同步电机的单相集成车载充电器

六相永磁同步电机在该单相充电器的充电过程中静止不转的原理[7]分析如下：

对电机的定子绕组进行解耦变换，可得矩阵[11]：

(1)

式(1)中的矩阵由3个平面组成，分别是α-β平面(第一行和第二行),x-y平面(第三行和第四行)和o1-o2平面(第五行和第六行)。其中，α-β平面是电机定子磁场产生的平面，x-y平面是谐波平面，o1-o2平面是零序平面。由式(1)可得，α-β平面与x-y平面的解耦变换方程：

(2)

当单相电网给充电器供电时，电机的六相中通过的电流关系如下：

(3)

给定电网电流如下：

(4)

将式(2)～式(4)联立，可得：

(5)

由式(5)可知，在该充电过程中，电机定子α-β平面上没有产生磁场，即电机静止不转。此时，电机定子只相当于一个电感的作用。

2 控制策略

本文采用电压外环、电流内环的双闭环控制方法。在实际电网中，由于输配电变压器饱和、非线性负载元件上产生谐波电流等原因，使得电网输出电压发生畸变，含有了无功分量[12]。为了防止电网中的无功分量输入到充电过程，采用单位功率因数控制策略，控制框图如图2所示。

图2 充电过程的单位功率因数控制策略

2.1 电压外环设计

2.2 电流内环的设计

同理，对XYZ三相绕组上的电流进行上述操作，可得同相位的相电压KuX,KuY,KuZ。

2.2.1 电流移相环节系数的确定

电流移相环节使三相绕组的相电流由同相位移动到为两两互差120°的过程，如图3所示。

图3 电流相位变化图

三相绕组中的相电流移相后，其线电流会发生变化。设变化前后的功率分别为P1和P2，计算公式如下：

(6)

(7)

依据功率不变的原则，有：

P1=P2

(8)

将式(6)和式(7)代式入(8)可得电流移相环系数：

2.2.2 电压移相环节系数的确定

电压移相环节是将电压由两两互差120°变化为同相位的过程，如图4所示。

图4 相电压相位变化图

电压经过移相环节，线电压会发生变化。设变化前后的功率分别为P3和P4，计算公式如下：

(9)

(10)

依据功率不变的原则，有：

P3=P4

(11)

将式(9)和式(10)代入式(11)可得电压移相环系数：

3 仿真及分析

3.1 仿真模型

在MATLAB/Simulink环境下搭建仿真模型，如图5所示。图5中，交流电源为给定的单相电网，电容为直流侧滤波电容，电阻为蓄电池等效电阻。仿真过程中，将测量器测得的直流侧电压、单相电网电压和电机的6个相电流输入到控制系统中，得到电机相电压；再将相电压输入PWM模块中，得到变流器上12个开关管的开关信号，控制开关管的通断，完成充电器的充电控制。