CN106330027B - 一种基于异步发电机的双能源输入行驶取力发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于异步发电机的双能源输入行驶取力发电装置，原动机与异步发电机连接，异步发电机三相绕组分别独立出线，一端在电机外部分别连开关K₃、开关K₄和开关K_5，并接市电电压，开关K₁连接在A相绕组和B相绕组引线之间，开关K₂连接在B相绕组和C相绕组引线之间，另一端与三相半桥连接，控制器控制开关K₁～K₅的闭合和断开，使异步发电机定子三相绕组接成“Y”型连接方式或独立绕组方式，同时控制异步发电机以合理的控制电压工作在“Y”型连接方式或独立绕组方式，电能以直流的形式通过三相半桥输出并存储在母线电容中。通过开关将电机绕组的连接灵活地改成“Y”型连接方式或独立绕组方式并通过相应的控制方式，实现机械能和市电双能源输入。

Description

一种基于异步发电机的双能源输入行驶取力发电装置

技术领域

本发明涉及电学技术领域，尤其涉及一种基于异步发电机的双能源输入行驶取力发电装置。

背景技术

随着电力电子技术及电机控制技术的迅速发展，由电力电子变换器控制的异步电机发电系统已成为可能。采用异步发电机作为飞机、汽车、坦克战车、轮船等运动载体的电源系统正成为当今国际上的一个研究热点，基于异步电机的车载行驶取力发电装置就是在该背景下产生。

行驶取力发电装置可以实时地控制异步发电机的励磁电流，在车辆行驶过程中较宽的转速变换范围内实现机械能到电能的转换，并实现恒压恒频的电能输出，满足车辆行驶过程中车载上装设备的用电需求，但是储电方式比较单一。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于异步发电机的双能源输入行驶取力发电装置，用以解决现有行驶取力发电装置储电方式单一的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种基于异步发电机的双能源输入行驶取力发电装置，包括原动机、异步发电机、三相半桥、母线电容以及控制器，其中，原动机与异步发电机连接，异步发电机的三相绕组的A相绕组、B相绕组以及C相绕组分别独立出线，一端在电机外部分别连开关K₃、开关K₄和开关K_5，并依次接市电电压u_a，u_b和u_c，开关K₁连接在A相绕组和B相绕组引线之间，开关K₂连接在B相绕组和C相绕组引线之间，另一端与三相半桥连接，三相半桥与控制器连接，由控制器控制开关K₁～K₅的闭合和断开，使异步发电机定子三相绕组接成“Y”型连接方式或独立绕组方式，同时控制器控制异步发电机以合理的控制电压工作在“Y”型连接方式或独立绕组方式，电能以直流的形式通过三相半桥输出并存储在母线电容中。

进一步地，所述三相半桥包括：S₁，S₂，S₃，S₄，S₅和S₆六个开关管，其中，S₁和S₂构成A相桥臂，其中点与电机的A相绕组一端出线相连；S₃和S₄构成B相桥臂，其中点与电机的B相绕组一端出线相连；S₅和S₆构成C相桥臂，其中点与电机的C相绕组一端出线相连；u_a，u_b和u_c为市电A相电压、B相电压和C相电压。

进一步地，具体包括：

当需要实现发电功能时，控制器触发开关K₁和开关K₂闭合，开关K₃，开关K₄和开关K₅断开，并控制异步发电机实现原动机的机械能向电能的转换，电能以直流的形式通过三相半桥输出并存储在母线电容中；当需要实现市电输入的PWM整流(脉宽调制全控整流)功能时，控制器控制开关K₁和开关K₂断开，开关K₃，开关K₄和开关K₅闭合，并控制异步发电机实现三相交流电到直流电的变换，电能以直流的形式通过三相半桥输出并存储在母线电容中。

进一步地，所述控制器具体包括：第一控制模块和/或第二控制模块，其中，

第一控制模块，当控制器触发开关K₁和开关K₂闭合，开关K₃，开关K₄和开关K₅断开时，母线电压的给定U_dc ^*与母线电压的反馈U_dc作差得到误差量，输入到PID控制器，PID控制器的输出作为异步发电机的转差，与获得的异步发电机转子转速ω相减获得异步发电机控制电压所需的同步转速角频率，对同步转速角频率进行积分进而获得异步发电机控制电压的相位，转子转速ω与电机的电磁常数K_ce相乘获得异步发电机控制电压的D轴分量，可令Q轴分量为零，则通过DQZ旋转坐标系到ABC静止坐标系，最终获得的控制电压并输出给异步发电机；

第二控制模块，当控制器触发开关K₁和开关K₂断开，开关K₃，开关K₄和开关K₅闭合时，母线电压给定U_dc ^*与母线电压反馈U_dc作差得到误差量经过PI控制器作为d轴电流给定i_d ^*，与d轴电流反馈i_d作差经过PI控制器输出d轴控制量，与此同时q轴电流给定i_q ^*与q轴反馈电流i_q作差经过PI控制器后输出q轴控制量，z轴电流给定i_z ^*与z轴反馈电流i_z作差经PI控制器后输出z轴控制量；d轴控制器量、q轴控制量以及z轴控制量经转转坐标系到静止坐标系变换后得到A相电压控制量、B相电压控制量以及C相电压控制量，经过正弦调制后输出PWM波给三相半桥，控制功率开关管S₁，S₂，S₃，S₄，S₅以及S₆开通和关断，进而实现市电输入的PWM整流功能。

本发明有益效果如下：

本发明将传统异步发电机“Y”型连接的定子三相绕组拆开，每套绕组均独立出线，在电机的外部按照工况需要灵活地接成两种方式，分别为“Y”型连接方式和独立绕组方式。“Y”型连接方式下，可通过控制使得异步发电机工作在发电状态，将原动机输出的机械能转换成电能，实现行驶取力发电功能；独立绕组方式下，可利用电机绕组的漏感作为全控整流所需的滤波电感，实现市电输入功能。本发明在不改变行驶取力发电装置硬件电路的条件下，在电机的外部通过开关将电机绕组的连接方式灵活地改成“Y”型连接方式和独立绕组方式，并分别通过异步发电机的控制算法和PWM整流控制算法实现机械能和市电双能源输入，储电方式灵活方便。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例所述装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述装置实现过程中，构成的行驶取力发电硬件拓扑结构示意图；

图3为本发明实施例所述装置实现过程中，利用异步发电机三相绕组的漏感和三相半桥功率拓扑构成全控整流硬件拓扑结构示意图；

图4为本发明实施例所述装置中，根据异步发电机的控制算法生成的控制环路示意图；

图5为本发明实施例所述装置中，根据PWM整流控制算法生成的控制环路示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

如图1所示，图1为本发明实施例所述装置的结构示意图，具体可以包括：原动机、异步发电机、三相半桥、母线电容以及控制器，其中，原动机与异步发电机连接，异步发电机的三相绕组的A相绕组、B相绕组以及C相绕组分别独立出线，一端在电机外部分别连开关K₃、开关K₄和开关K_5，并依次接市电电压u_a，u_b和u_c，开关K₁连接在A相绕组和B相绕组引线之间，开关K₂连接在B相绕组和C相绕组引线之间，另一端与三相半桥连接，三相半桥与控制器连接，由控制器控制开关K₁～K₅的闭合和断开，使异步发电机定子三相绕组接成“Y”型连接方式或独立绕组方式，同时控制器控制异步发电机以合理的控制电压工作在“Y”型连接方式或独立绕组方式，电能以直流的形式通过三相半桥输出并存储在母线电容中。

三相半桥包括：S₁，S₂，S₃，S₄，S₅和S₆六个开关管，其中，S₁和S₂构成A相桥臂，其中点与电机的A相绕组一端出线相连；S₃和S₄构成B相桥臂，其中点与电机的B相绕组一端出线相连；S₅和S₆构成C相桥臂，其中点与电机的C相绕组一端出线相连；u_a，u_b和u_c为市电A相电压、B相电压和C相电压。

当需要实现发电功能时，控制器触发开关K₁和开关K₂闭合，开关K₃，开关K₄和开关K₅断开，并控制异步发电机实现原动机的机械能向电能的转换，电能以直流的形式通过三相半桥输出并存储在母线电容中；当需要实现市电输入的PWM整流功能时，控制器控制开关K₁和开关K₂断开，开关K₃，开关K₄和开关K₅闭合，并控制异步发电机实现三相交流电到直流电的变换，电能以直流的形式通过三相半桥输出并存储在母线电容中。

“Y”型连接方式下，如附图2所示K₁和K₂闭合将异步发电机连接成“Y”型连接，并且K₃、K₄和K₅断开，构成行驶取力发电硬件拓扑结构。“Y”型连接方式可实现行驶取力发电硬件功率拓扑结构，依据异步发电机发电控制算法并通过对控制器的编程实现机械能到电能的转换，完成行驶取力发电功能。

独立绕组方式下，如附图3所示K₃、K₄和K₅闭合，并且K₁和K₂断开接入市电，利用异步发电机三相绕组的漏感和三相半桥功率拓扑构成全控整流硬件拓扑结构。独立绕组方式可利用异步发电机内部的漏感构成全控整流的硬件功率拓扑，依据全控整流控制算法并通过对控制器的编程实现三相交流电到直流电的转换，完成市电输入功能。

对于控制器的控制功能，主要包括两个模块，第一控制模块主要用来在开关K₁和开关K₂闭合，开关K₃，开关K₄和开关K₅断开时，控制异步发电机实现原动机的机械能向电能的转换，其结构如图4所示；第二控制模块主要用来开关K₁和开关K₂断开，开关K₃，开关K₄和开关K₅闭合时，控制异步发电机实现三相交流电到直流电的变换，其结构如图5所示。

如图4所示，图4为根据异步发电机的控制算法生成的电路示意图，母线电压的给定U_dc ^*与母线电压的反馈U_dc作差得到误差量，输入到PID控制器(比例、积分和微分控制器)，控制器的输出作为异步发电机的转差，与获得的异步发电机转子转速ω相减获得异步发电机控制电压所需的同步转速角频率，对同步转速角频率进行积分进而获得异步发电机控制电压的相位，转子转速ω与K_ce(电机的电磁常数)相乘获得异步发电机控制电压的D轴分量，可令Q轴分量为零，则通过DQZ坐标系(旋转坐标系)到ABC坐标系(静止坐标系)的转换，最终获得异步发电机(IM)的控制电压，实现异步发电机的发电过程。

如图5所示，图5为根据PWM整流控制算法生成的控制环路示意图，母线电压给定U_dc ^*与母线电压反馈U_dc作差得到误差量经过PI控制器(比例积分控制器)作为d轴电流给定i_d ^*，与d轴电流反馈i_d作差经过PI控制器输出d轴控制量，与此同时q轴电流给定i_q ^*(给定为零)与q轴反馈电流i_q作差经过PI控制器后输出q轴控制量，z轴电流给定i_z ^*与z轴反馈电流i_z作差经PI控制器(比例积分控制器)后输出z轴控制量。d轴控制器量、q轴控制量以及z轴控制量经转转坐标系到静止坐标系变换后得到A相电压控制量、B相电压控制量以及C相电压控制量，经过正弦调制后输出PWM波，控制功率开关管S₁，S₂，S₃，S₄，S₅以及S₆开通和关断，进而实现市电输入的PWM整流功能。

综上所述，本发明实施例提供了一种基于异步发电机的双能源输入行驶取力发电装置，本发明为了利用电机绕组内部漏感作为PWM整流所需的电感，以实现市电输入的PWM整流功能，将异步发电机的A相绕组、B相绕组以及C相绕组的进出线均对外引出，即将异步发电机改造成六线制，即将传统三线制“Y”型连接的异步发电机定子绕组拆开，每相绕组分别独立出线，在电机外部按照需要灵活地通过开关K₁、开关K₂、开关K₃、开关K₄和开关K₅将电机定子三相绕组接成“Y”型连接方式和独立绕组方式。“Y”型连接方式的具体操作为通过控制使得K₁和K₂闭合并且K₃、K₄和K₅断开；独立绕组方式的具体操作为通过控制使得K₁和K₂断开并且K₃、K₄和K₅闭合。“Y”型连接方式可实现行驶取力发电硬件功率拓扑结构，依据异步发电机发电控制算法并通过对控制器的编程实现机械能到电能的转换，完成行驶取力发电功能；独立绕组方式可利用异步发电机内部的漏感构成全控整流的硬件功率拓扑，依据全控整流控制算法并通过对控制器的编程实现三相交流电到直流电的转换，完成市电输入功能。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本申请的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于异步发电机的双能源输入行驶取力发电装置，其特征在于，包括原动机、异步发电机、三相半桥、母线电容以及控制器，其中，原动机与异步发电机连接，异步发电机的三相绕组的A相绕组、B相绕组以及C相绕组分别独立出线，一端在电机外部分别连开关K₃、开关K₄和开关K_5，并依次接市电电压u_a，u_b和u_c，开关K₁连接在A相绕组和B相绕组引线之间，开关K₂连接在B相绕组和C相绕组引线之间，另一端与三相半桥连接，三相半桥与控制器连接，由控制器控制开关K₁～K₅的闭合和断开，使异步发电机定子三相绕组接成“Y”型连接方式或独立绕组方式，同时控制器控制异步发电机以合理的控制电压工作在“Y”型连接方式或独立绕组方式，电能以直流的形式通过三相半桥输出并存储在母线电容中。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述三相半桥包括：S₁，S₂，S₃，S₄，S₅和S₆六个开关管，其中，S₁和S₂构成A相桥臂，其中点与电机的A相绕组一端出线相连；S₃和S₄构成B相桥臂，其中点与电机的B相绕组一端出线相连；S₅和S₆构成C相桥臂，其中点与电机的C相绕组一端出线相连；u_a，u_b和u_c为市电A相电压、B相电压和C相电压。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，具体包括：

当需要实现发电功能时，控制器触发开关K₁和开关K₂闭合，开关K₃，开关K₄和开关K₅断开，并控制异步发电机实现原动机的机械能向电能的转换，电能以直流的形式通过三相半桥输出并存储在母线电容中；当需要实现市电输入的PWM整流功能时，控制器控制开关K₁和开关K₂断开，开关K₃，开关K₄和开关K₅闭合，并控制异步发电机实现三相交流电到直流电的变换，电能以直流的形式通过三相半桥输出并存储在母线电容中。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述控制器具体包括：第一控制模块和/或第二控制模块，其中，

第一控制模块，当控制器触发开关K₁和开关K₂闭合，开关K₃，开关K₄和开关K₅断开时，母线电压的给定U_dc ^*与母线电压的反馈U_dc作差得到误差量，输入到PID控制器，PID控制器的输出作为异步发电机的转差，与获得的异步发电机转子转速ω相减获得异步发电机控制电压所需的同步转速角频率，对同步转速角频率进行积分进而获得异步发电机控制电压的相位，转子转速ω与电机的电磁常数K_ce相乘获得异步发电机控制电压的D轴分量，可令Q轴分量为零，则通过DQZ旋转坐标系到ABC静止坐标系，最终获得的控制电压并输出给异步发电机；

第二控制模块，当控制器触发开关K₁和开关K₂断开，开关K₃，开关K₄和开关K₅闭合时，母线电压给定U_dc ^*与母线电压反馈U_dc作差得到误差量经过PI控制器作为d轴电流给定i_d ^*，与d轴电流反馈i_d作差经过PI控制器输出d轴控制量，与此同时q轴电流给定i_q ^*与q轴反馈电流i_q作差经过PI控制器后输出q轴控制量，z轴电流给定i_z ^*与z轴反馈电流i_z作差经PI控制器后输出z轴控制量；d轴控制器量、q轴控制量以及z轴控制量经转转坐标系到静止坐标系变换后得到A相电压控制量、B相电压控制量以及C相电压控制量，经过正弦调制后输出PWM波给三相半桥，控制功率开关管S₁，S₂，S₃，S₄，S₅以及S₆开通和关断，进而实现市电输入的PWM整流功能。