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电动汽车高频交流离散脉冲密度矢量控制系统的研究

专家
2007-10-07 11:02:08    评分
 

摘 要:针对当前电动汽车存在体积大、能量密度低的缺点,提出了一种采用于高频交流离散脉冲密度调制的异步电动机矢量控制系统,分析了系统的工作原理和控制方法。理论分析和仿真研究表明系统具有能量密度高、体积小和效率高的特点。


关键词:电动汽车  高频交流  脉冲密度  矢量控制


1  问题的由来


目前,全世界拥有各类汽车约5亿辆,年消耗石油约7亿吨,排放的有害物质超过2亿吨,约占空气污染总量的61%,对人类的生存空间造成了严重的环境污染问题。电动汽车以其节约石油资源、减少大气污染的优点,正日益受到重视,被认为是21世纪的一种重要交通工具。许多国家加强了电动汽车的研究,有的国家还制定了有关法律,限制燃油汽车的销售,扩大电动汽车的销售量。


电动汽车的核心技术是电气驱动系统。从目前国内外研究的电气驱动系统来看,都还存在着能量转换效率低、体积庞大和效率比较低的问题。


在电气传动领域,高频交流逆变技术以其性能好、小型轻量化等优点正逐步替代传统的逆变技术。在高频交流逆变技术中,采用零电压开关技术或零电流开关技术的所谓软开关变换器提高了开关频率,被认为是21世纪高性能变换器发展的主流。本文结合零电压开关技术,提出一种新的高频交流脉冲密度调制控制策略,作为解决电动汽车电气驱动系统现有问题一个可能的方案。


2  高频交流脉冲密度矢量控制系统


本文提出用于电动汽车的高频交流脉冲密度控制系统如图1所示。图中,电池组直流电压Vb由逆变电路变为交流信号,再经电感和电容构成的混联谐振电路调谐为高频交流信号。该高频交流信号通过高频变压器隔离和升压,作为标准的高频正弦电压源经由变换器向电机馈电。从图1中可以看出,这种高频交流变换器实质是AC-AC变换器,但它与一般的AC-AC变换器的最大区别在于它的输入端是高频恒频恒压电源。由于电流的双向流动,采用了两个反串联的IGBT和相应的续流二极管组成交流双向开关。


控制方案采用一般的滑差型矢量控制,以求控制电路的简单化。理论分析表明,将直流信号逆变为交流信号时,输出的波形中会含有一定的高次谐波分量。为了抑制高次谐波,混联谐振电路的谐振频率选择得比较高,通常都在20KHz或20KHz以上。另外,谐振网络中的电感和电容还兼有滤波功能。


图2  变换器网络模型


                          Ii(ωt)                 Io(ωt)


Vs(ωt)                 Vo(ωt)


 


开关函数


S(ωt)



3  高频交流离散脉冲密度调制原理


根据电路网络理论,图1所示的电路可以抽象为一般的网络,如图2所示。



图中,Vs(ωt)为输入电压信号,Vo(ωt) 为输出电压信号,S (ωt)为开关函数,亦即变换器的传递函数。由自动控制理论可知,输出电压的表达式为:



于是,图1中相对于环节交流电源中点的相电压Vao,Vbo和Vco的表达式分别为:



其中,输入信号在方波工作模式下的傅里叶表达式可以推导为 



开关函数傅里叶表达式取下列形式


由公式(1)可得一相电压表达式



因为电机负载中性点是独立的,所以,相对应电机中性点的a相电压为:



同理,根据叠加原理,相电流可以从每相的等值电路中电机的参数求出。因此,a相的相电流表达式为:


从上述公式可以看出,当采用零电压技术后,变换器的输出电压和电流是m和n的函数,而m和n分别是开关函数中波形脉冲数目的整数倍和环节高频交流电源中脉冲数目的整数倍。这些数目均取整数值,在调制低频输出波形时呈离散性质,故取名为高频交流离散脉冲密度调制。


4  仿真研究


为了验证系统的可行性和检查系统参数计算与选择的合理性,利用计算机仿真语言PC-MATLAB对系统进行了研究。仿真时参数选择如下:电池组电压Vb=300V,高频交流环节电压Vs=622.25sin(2πft)V,输入频率fs=20KHz,输出频率fo=247Hz,定子电阻=0.01121Ω,转子电阻=0.01243Ω,定子漏感=0.001314mH,转子漏感=0.001314mH,磁化电感=2.13mH,电机额定功率=50KW。图3为相电压波形图,从仿真结果看,输出的电压波形是由许多非常密集的高频输入脉冲头合成的。



图3  相电压Van波形


5  结  论


电动汽车,特别是复合型电动汽车的车体大小容量有限,对电气驱动系统的体积和重量都有严格要求。传统的直流调速系统和PWM交流调速系统都存在体积和重量比较大的问题。本文提出的高频交流离散脉冲密度矢量控制系统,由于采用了零电压开关技术,具有开关频率高,损耗小和控制简单的优点。高频技术的采用,有助于减小电动汽车电气驱动系统开关器件上的应力,去掉常规的缓冲器,提高开关频率,抑制噪音,减小整个驱动系统的体积和重量,从而提高整个系统的效率。


参考文献:


[1] M.Ehsani, K.M.Rahman,H.A.Toliyat, Propulsion System Design of Electric and Hybrid Vehicles[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol.44,No.1,Feb. 1997,7-13


[2] P.K.Sood and T.A.Lipo, Power Conversion Distribution System Using a High Frequency AC Link[J], IEEE Transactions on Industrial Applications, Vol.24,No.2,March/April 1988, 288-300


[3] 马宪民,陈全世,混合性电动汽车电气驱动高频交流分布系统的研究[J]。西安公路交通大学学报,2000, 20(4),78-80




关键词: 电动汽车     高频     交流     离散     脉冲     密度     矢量     控制    

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