CN101958674A - 绕组开路型永磁电机车载起动发电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种绕组开路型永磁电机车载起动发电系统及控制方法，所述系统由绕组开路型永磁电机、三相整流桥、三相桥式变换器、切换开关、滤波电容、蓄电池、控制器、电压电流检测电路、驱动电路及负载组成。所述方法绕组开路型永磁电机绕组端部一侧通过三相整流桥和滤波电容构成整流侧给负载供电，另一侧通过三相桥式变换器与蓄电池相连构成逆变控制侧，通过切换开关实现起动、发电运行状态切换，起动控制采用单电流闭环矢量控制，发电运行采用整流侧直流电压、电机相电流双闭环控制，实现输出电压稳定和发电机高效率运行控制。本发明的绕组开路型永磁电机起动发电系统可以有效地满足车载起动发电机的宽转速运行范围、高功率密度、高效率的要求。

Description

绕组开路型永磁电机车载起动发电系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种绕组开路型永磁电机车载起动发电系统及控制方法，属于电机控制领域。

背景技术

自上世纪90年代起，随着能源危机和环境保护问题的日益严重，世界各国改善环保的呼声日益高涨，对传统燃料汽车在降低排气污染、节约能源方面提出越来越高的要求，使得全球汽车工业面临严峻的挑战，传统汽车产业也开始发生结构转型——将新能源与汽车产业相结合，实现汽车动力系统的新能源化，消除传统能源、环境问题对汽车工业的制约，发展低碳经济。新型节能减排型混合动力汽车、电动力汽车成为发展的主流。起动/发电机系统作为混合动力、电动汽车的关键部件，替代了传统汽车的起动机和发电机，集两者功能于一体，直接安装于发动机曲轴或者通过皮带轮连接，减少了发动机零部件的种类和数量，减轻了汽车重量，简化了驱动系统的结构，具有结构紧凑、控制性能好、能量利用率高等优点，能够有效地提升汽车性能。

起动/发电一体化技术源于汽车电气系统。上世纪30年，用一台汽车直流发电机就可以实现起动和发电双功能，但是一直以来车载电气系统中发电机功率较小，作起动机工作时，起动转矩不够，并且车载电气系统中对动力装置的体积、重量要求并未有严格的限定要求，使得车载电气系统中起动/发电一体化技术并未受到太多关注。而在对动力装置体积、重量要求非常苛刻的航空领域，随着飞机性能的提高、机载用电设备的增加，电力电子技术的发展，上世纪50年代，在飞机低压直流供电系统中将机载有刷直流发电机从单一的发电型改进为起动、发电双功能，省去了起动装置，减轻了机载设备的重量，有效地提高了飞机性能。起动/发电技术在航空领域的应用成为机载电气系统技术的一大的飞跃。此后，随着航空电源供电体制的演变，在现今飞机高压直流、变频交流供电体制中，起动/发电一体化技术仍为关键技术之一。

直到上世纪90年代，随着汽车电子技术的发展，车载用电设备的增加，使得汽车发电机容量逐渐增大能够满足发动机起动容量的要求，车载起动/发电一体化功能可以实现。另外环保问题对汽车节能减排提出了更高的要求，利用车载蓄电池、发电机实现电动力驱动，也成为重要的降低碳排放量的途径。

传统的汽车发电机采用爪极式电机，不具备起动功能，难以实现起动/发电一体化的要求，因此各种具备起动/发电一体化功能的电机开始引起汽车行业的广泛关注。车载燃油发动机的特性也对起动/发电机系统提出了低速大转矩、宽转速范围、高发电运行效率、高功率重量比等要求。

永磁电机具有功率密度高、出力大的突出优点，能够满足低速大转矩、高发电运行效率、高功率密度的要求，但是存在适应转速范围较窄、弱磁升速和调压控制困难的问题，为应用于车载起动发电系统必须采用PWM双向变换器实现起动和发电调压控制，但是单一的PWM变换器仍然存在对发动机适应转速范围窄的问题，难以满足车载燃油发动机的宽转速范围要求。为此世界各国学者针对永磁电机提出了各种改进措施：(1)利用永磁电机磁阻转矩扩展其转速范围，采取的方法有电机轴向磁场设计、饱和磁路分析和复合转子设计等，通过改变永磁电机交、直轴电枢电感，结合矢量控制解耦调制策略，实现永磁电机的起动弱磁升速、发电调压控制；(2)采用混合励磁方式，针对永磁磁场无法调节的问题，在永磁电机内部设置励磁绕组，构成混合励磁电机，实现电机气隙磁场调节；(3)特殊结构设计，设计多绕组、双定子等结构永磁电机，通过开关切换实现各相电枢绕组的串并联，达到永磁电机输出电压易于调节的目的。

但是上述永磁电机通过电机设计、混合励磁、特殊结构设计等方法，虽然达到了调节电机磁场的目的，但是附加的代价是一定程度上牺牲了自身的功率密度、效率等性能，降低了永磁电机应用于车载起动/发电机系统的优越性。因此设计一种新型的永磁电机，既能保证永磁电机的优点，又能改善其发电调压控制特性，成为车载起动/发电机系统亟待解决的问题。

传统的三相电机绕组内部均通过星形或者三角形方式连接，星形连接方式的三相绕组可以消除绕组中同相位的三次谐波和负载不对称时绕组中的零序电流分量，改善电能品质，因此三相电机大多采用星形连接方式，永磁电机亦是如此。但是交流电机各相绕组分开之后，采用特殊的控制方式也能够正常工作。1989年日本学者ISAO TAKAHASHI在异步电机磁场定向控制的基础上，首次提出一种绕组开路型异步电机两端连接两套逆变器，通过各逆变器协调控制提高异步电机的转矩响应速度和频带范围，使得绕组开路型交流电机结构开始获得人们的认可。此后众多学者在高压、大电流应用场合，研究采用两套功率变换器驱动绕组开路型异步电机控制策略。与传统的并联或多电平变换器驱动方式相比，变换器成本增加不多，性能可以得到有效地提高。国内清华大学李永东教授也在2003年申请了关于异步电机双端供电变频调速驱动装置专利，基本思路也是将绕组开路型异步电机应用于高压、大容量场合。一直以来国内、外学者针对绕组开路型电机类型的研究均是集中在异步电机驱动方面，研究内容涉及双变换器的协调控制策略、多电平变换器控制以及矩阵式变换器驱动等。直到2008年，韩国学者Seung-Ki Sul首次提出绕组开路型永磁电机，并将其应用于分布式并网发电系统，绕组开路型发电机一端并网，另外一侧通过PWM变换器与各种直流电源相连，研究了发电机在零速-起动-同步速运行条件下的系统功率控制策略，通过PWM变换器控制，使永磁发电机等效成电流源实现并网。由于并网过程要求发电机输出频率与电网频率严格同步，对系统原动机输出转速有着严格的限定，导致系统适用的范围受到限制，并且没有对该型绕组开路型发电机独立运行特性进行分析，尤其是作为发电机在转速变化时如何实现调压控制。

将传统电机绕组中点打开，不改变电机内部结构，能够保证永磁电机高功率密度、高效率等优点，构成绕组开路型永磁电机，通过外部功率变换器设计，实现起动运行，并解决其宽转速范围发电调压控制问题，将对永磁电机应用于车载起动/发电系统具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的即在绕组开路型永磁电机的基本工作原理基础上，提出一种新型车载永磁电机起动发电系统及控制方法，使其满足车载起动发电机的宽转速运行范围、高功率密度、高效率的要求。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明绕组开路型永磁电机车载起动发电系统，由绕组开路型永磁电机、三相整流桥、三相桥式变换器、切换开关、滤波电容、蓄电池、控制器、电压电流检测电路、驱动电路及负载组成；其中绕组开路型永磁电机绕组端部一侧依次串接切换开关、三相整流桥和滤波电容构成整流侧给负载供电，另一侧通过三相桥式变换器与蓄电池相连构成逆变控制侧，实现起动和发电调压控制；绕组开路型永磁电机转轴上设置位置传感器，绕组开路型永磁电机绕组整流侧设置电压传感器，绕组开路型永磁电机三相绕组设置电流传感器，所述位置传感器、电压传感器和电流传感器的输出端分别与控制器的信号采集输入端连接，控制器的控制信号输出端接三相桥式变换器的控制端。

绕组开路型永磁电机车载起动发电系统的控制方法如下：

绕组开路型永磁电机绕组端部一侧通过整流侧给负载供电，另一侧通过逆变控制侧实现起动和发电调压控制；

起动过程：合上切换开关S，整流侧三相绕组短路形成星形中点，即将绕组开路型永磁电机重构成传统的永磁电机，控制逆变侧三相桥式变换器驱动永磁电机拖动车载发动机实现起动运行；

发电过程：当车载发动机转速达到点火速后，切换过程切换开关S断开，车载发动机拖动绕组开路型永磁电机运行；控制器采集位置传感器输出的绕组开路型永磁电机位置信号、电压传感器输出的整流侧直流电压信号和电流传感器输出的绕组电流信号输出控制信号至三相桥式变换器实现整流侧输出电压的控制。

优选地，在绕组开路型永磁电机发电运行时逆变控制侧三相桥式变换器的输出电压与绕组开路型永磁电机三相绕组端电压相合成电压矢量，所述电压矢量再通过整流侧的三相整流桥输出直流电压，控制逆变控制侧变换器输出电压即控制整流侧输出直流电压幅值。

优选地，在绕组开路型永磁电机发电运行时对逆变控制侧三相桥式变换器采用电压、电流双闭环控制，所述电压外环根据整流侧电压传感器输出信号，控制逆变侧变换器输出电压与绕组开路型永磁电机端电压的合成电压矢量的幅值；所述电流内环在合成电压矢量幅值不变的基础上，调节发电机输出电流的相位，使发电机运行于高功率因数状态。

本发明绕组开路型永磁电机起动发电系统将传统的永磁发电机的中性点分开，使电机三相绕组可以独立工作，有效地消除相绕组之间的影响，提高电机自身的可靠性，同时由于电机内部磁路结构没有改变，有效地保证了永磁电机高功率密度、高效率的优点。

本发明起动运行过程通过交流开关S将绕组开路型电机重构成传统的带中性点的永磁电机，起动控制采用单电流闭环矢量控制。发电运行时绕组开路型永磁电机与逆变控制侧、整流侧变换器构成串联系统，逆变控制侧变换器输出电压与发电机三相绕组端电压相合成，再通过整流侧的三相整流桥输出直流电压。理论上发电机端电压或逆变控制侧输出电压发生改变后，均会使得整流侧输入的合成电压矢量发生变化，导致整流输出电压随之改变，因此控制逆变侧输出电压的变化即可控制整流侧输出电压。但是由于整流桥的存在，只通过逆变控制侧变换器输出电压的调节将使得发电机绕组电流存在大量的高次谐波，严重影响发电机的运行状态，并降低其运行效率。因此发电运行时对逆变控制侧变换器采用电压、电流双闭环控制策略，电压外环根据整流侧输出直流电压的幅值控制合成电压矢量的幅值；电流内环在合成电压矢量幅值不变的基础上，调整发电机端电压、电流的相位，使发电机运行于高功率因数状态，提高系统运行效率。

附图说明

图1绕组开路型永磁电机起动/发电一体化系统结构图；

图2逆变控制侧电压控制矢量图；

图3绕组开路型永磁电机起动/发电一体化控制框图。

具体实施方式

绕组开路型永磁电机结合外部功率变换器构成新型永磁电机起动/发电系统，系统结构如图1所示。绕组开路型电机绕组端部一侧通过三相整流桥构成整流侧给负载供电，另一侧通过三相桥式变换器与蓄电池相连构成逆变控制侧。起动/发电机系统通过交流开关S实现起动、发电功能切换。起动过程S合上，整流侧三相绕组短路形成星形中点，即将绕组开路型永磁电机重构成传统的永磁电机，控制逆变侧变换器驱动永磁电机拖动发动机实现起动运行；当发动机转速达到点火速后，切换开关S断开，发动机拖动永磁电机运行，由于绕组开路型永磁发电机磁链无法调节，逆变侧变换器根据转速变化和负载大小调节其输出电压的幅值与相位，再与发电机的端电压相叠加，实现整流侧输出电压的控制，并且随着转速、负载变化稳定整流侧输出直流电压。

由于逆变控制侧输出电压与发电机端电压构成串联结构，两者的合成电压通过整流桥输出标量形式的直流电，整流侧输出电压只与其输入侧电压矢量的幅值有关，与相位没有关系。因此逆变控制侧变换器控制思路为：根据发电机转速、负载的变化控制逆变侧变换器电压矢量幅值和相位使得整流侧输出电压的合成矢量幅值随之改变，实现整流侧输出电压的调节，如图2电压控制矢量图所示。以A相为例，当发电机转速较低时，发电机输出不能满足整流侧所需电压时，为提高整流侧输入电压幅值，要求逆变侧变换器输出电压相位与发电机端电压相位差小于90°，设定发电机端电压矢量E_a，则逆变器输出电压矢量U_a位于虚线右侧，与E_a相位差α小于90°，则两电压矢量相合成，使得整流侧输出电压向量V_a幅值增大，满足直流侧所需电压，此时逆变侧变换器工作在逆变状态；当发电机转速较高时，发电机输出电压超过整流侧所需电压，则要求逆变侧变换器输出电压相位与发电机端电压相位差大于90°，U_a’位于虚线的左半边，与E_a相位差β大于90°，两电压矢量相合成，使整流侧输入电压V_a’减小，以此稳定输出电压，此时逆变侧变换器工作在整流模式，即发电机输出能量一部分通过整流侧输出给负载，另一部分通过逆变侧变换器给蓄电池充电。

本系统中由于绕组开路型永磁电机一端接整流桥，只控制逆变侧变换器输出电压将使得发电机绕组电流中存在大量的高次谐波，严重影响发电机的运行状态。为保证发电机高效率，必须控制其端电压、电流同相位。因此本系统发电运行时对逆变侧变换器采用电压、电流双闭环控制策略，电压外环根据整流侧输出电压的幅值控制合成电压矢量的幅值；电流内环在合成电压矢量不变的基础上，调整发电机端电压、电流的相位，系统起动发电一体化控制框图如图3所示。为实现直流电压幅值和发电机电流相位的控制，首先通过旋转坐标变换下对电流进行解耦控制，选取d轴与发电机绕组电压向量E重合，则d轴表示发电机的无功分量轴，q轴为发电机的有功分量轴。起动过程采用i_d＝0的电流单闭环矢量控制方式；发电运行状态，将给定电压U_dc与直流侧反馈电压u_f相比较，其偏差值经过PI调节后得到有功电流给定值i_qref，i_dref给定为零，实现电压与电流同相位控制，实际电流i_d和i_q与给定值相比较后的偏差值经过PI调节后得到变换器电压控制矢量，送入SVPWM调制单元，实现系统发电调压过程中发电机端电压与相电流相位一致。

本发明绕组开路型永磁电机起动发电机系统，通过绕组开路型结构的永磁电机保证发电机的高功率密度的特性，结合整流侧、逆变控制侧变换器设计，构成具有起动、发电双功能系统，通过切换开关S实现起动、发电一体化控制。针对车载发动机的宽转速范围问题，通过逆变控制侧变换器实现整流侧直流电压恒定，并在转速、负载变化时能够稳定输出；在此基础上，设计电压、电流双闭环控制调压控制策略，实现发电机在不同转速、负载条件下，端电压与相电流同相位控制，提高了系统发电运行的效率。本发明绕组开路型永磁电机起动发电系统相比较传统的永磁电机起动发电系统，大大改善了系统转速适应范围和调压控制方法，在新型的车载集成起动发电系统中具有广泛的应用前景。

Claims (4)

1.一种绕组开路型永磁电机车载起动发电系统，其特征在于由绕组开路型永磁电机、三相整流桥、三相桥式变换器、切换开关、滤波电容、蓄电池、控制器、电压电流检测电路、驱动电路及负载组成；其中绕组开路型永磁电机绕组端部一侧依次串接切换开关、三相整流桥和滤波电容构成整流侧给负载供电，另一侧通过三相桥式变换器与蓄电池相连构成逆变控制侧实现起动和发电调压控制；绕组开路型永磁电机转轴上设置位置传感器，整流侧设置电压传感器，绕组开路型永磁电机三相绕组设置电流传感器，所述位置传感器、电压传感器和电流传感器的输出端分别与控制器的信号采集输入端连接，控制器的控制信号输出端接三相桥式变换器的控制端。

2.一种如权利要求1所述的绕组开路型永磁电机车载起动发电系统的控制方法，其特征在于所述方法如下：

绕组开路型永磁电机绕组端部一侧通过整流侧给负载供电，另一侧通过逆变控制侧实现起动和发电调压控制；

起动过程：合上切换开关S，整流侧三相绕组短路形成星形中点，即将绕组开路型永磁电机重构成传统的永磁电机，控制逆变侧三相桥式变换器驱动绕组永磁电机拖动车载发动机实现起动运行；

发电过程：当车载发动机转速达到点火速后，切换过程切换开关S断开，车载发动机拖动绕组开路型永磁电机运行；控制器采集位置传感器输出的绕组开路型永磁电机位置信号、电压传感器输出的整流侧直流电压信号和电流传感器输出的绕组开路型永磁电机绕组电流信号，输出控制信号至三相桥式变换器实现整流侧输出电压的控制。

3.如权利要求2所述的绕组开路型永磁电机车载起动发电系统的控制方法，其特征在于在绕组开路型永磁电机发电运行时，逆变控制侧三相桥式变换器的输出电压与绕组开路型永磁电机三相绕组端电压相合成电压矢量，所述电压矢量再通过整流侧的三相整流桥输出直流电压，控制逆变控制侧变换器输出电压即控制整流侧输出直流电压幅值。

4.如权利要求2所述的绕组开路型永磁电机车载起动发电系统的控制方法，其特征在于在绕组开路型永磁电机发电运行时对逆变控制侧三相桥式变换器采用电压、电流双闭环控制，所述电压外环根据整流侧电压传感器输出信号控制逆变侧变换器输出电压与绕组开路型永磁电机端电压的合成电压矢量的幅值；所述电流内环在合成电压矢量幅值不变的基础上，调节发电机输出电流的相位，使发电机运行于高功率因数状态。

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