导航：安全管理网>> 安全论文>> 电力安全论文>>正文

开关磁阻电机母线异常电流的研究

文档作者：朱江蒋立伟张大双周矗叶新伟普刚文档来源：东风商用车有限公司		点击数：	更新时间： 2021年12月12日
下载地址：点击这里	文件大小： 318.58 KB 共5页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共5页]

本文件共5页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：318.58 KB 共5页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

下一篇：风电场110kV母线保护改造

上一篇：线路故障越级致6kV母线失电事故分析

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

第49卷第5期
2016年 5月
徽'．} Vo1．49．No．5
M ．2016
开关磁阻电机母线异常电流的研究
朱 江，蒋立伟，张大双，周 矗，叶新伟，普 刚
(东风商用车有限公司东风商用车技术中心，武汉430056)
摘要：本文在利用Matlab／Simulink建立开关磁阻电机(SRM)物理模型和控制策略模型的基础上，通过仿真分析相
电流变化与母线电流变化之间的关系，找出了SRM工作时母线电流剧烈波动的原因。为解决此问题，本文首先分析
论证了使用LRC低通滤波器改善这种状况的可行性，然后选取合适的参数设计滤波器并进行仿真对比，最后，通过
台架和实车测试，证明了该解决方案有效。
关键词：开关磁阻电机；母线电流；RLC低通滤波器
中图分类号：TM352 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2016)05—0088—05
Research on Abnormal Busbar Current of Switched Reluctance M otor
ZHU Jiang，JIANG Liwei，ZHANG Dashuang，ZHOU Yao，YE Xinwei，PU Gang
(Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFCV，Wuhan 430056，China)
Abstract：Based on the physical model and control model of switched reluctance motor(SRM)which established
by Matlab／Simulink，this paper analyzed the relationship between the phase current changes and bus—
bar current changes，and then found out the cause of the SRM busbar current severe fluctuation at work．To
solve the above problem，this paper analyzed the feasibility of reducing the fluctuation by using the LRC low—
pass filter． By selecting appropriate parameters to build filter in the vehicle tests，this solution was proved
effective．
Key words：switched reluctance motor；busbar curent；LRC low·pass filter
0 引 言
开关磁阻电机具有结构简单、可靠性高、低速
大扭矩等特点，适合用于电动汽车等领域。在某混
合动力卡车上，采用额定电压576 V、额定功率
40 kW的开关磁阻电机作为驱动电机。然而在使用
的过程中，发现电机母线电流剧烈波动，频率高达
3 kHz以上，峰峰值超过1000 A，并且在电动工况
下出现了-300A的负电流，相当于对动力电池进行
频繁的大电流充放电，这将极大的影响动力电池的
性能，同时还会造成其他高压部件的损坏，威胁整
车的安全，因此必须加以解决。
1 母线异常电流产生原因分析
开关磁阻电机的运行遵循磁阻最小原理，采取
逐相导通的工作方式。电机运行过程中，随着IGBT
的开通与关断，相电流迅速的增大或减小，幅值变
化较大，且波形极不规则。母线电流为相电流的叠
加，情况更为复杂。
以上述混合动力卡车项目中所使用的三相开关
磁阻电机为研究对象，在Matlab／Simulink下，建立
其物理模型和控制策略模型，对各工况进行仿真分
析。当供电电压为576 V，转速800 r／min，相绕组
目标电流300 A时，电机功率约60 kW，此时三相
电流和母线电流的波形如图1所示。
图中实线为A、B、c三相及母线的电流，电流
波形下相互交错的两个方波信号为对应IGBT的驱动
信号，使用不同的幅值加以区分。在仿真过程中，
为了更准确分析母线电流与相电流之间的关系，去
除了母线正负极之间的滤波电容。
从图l中可以看到，母线电流最大值出现在t2
时刻，约为600 A，此时A相和B相的IGBT均处于
导通状态，其中A相已经达到了目标电流300A，B
相电流接近300A的目标电流。电路中的电流流向如
收稿日期：2015—07—07
作者简介：朱江(1989)，学士，工程师，研究方向为新能源汽车电机系统的设计与试验。
蒋立伟(1984)，硕士，工程师，研究方向为新能源汽车电机控制系统的开发。
5期 朱江等：开关磁阻电机母线异常电流的研究朱 · ·
下图2所示。由于Tl、 、rI3、T4四个开关管全部
导通，A、B相的电流均由正极流向负极，因此母线
电流为二者叠加，达到峰值。
图1 三相电流和母线电流波形
图2 母线电流最大时电流方向
母线电流最小值出现在图1中的t3时刻，约为一
200A。在这一时刻，A相IGBT全部关断，而B相
IGBT一开一关，电流方向如图3所示。由于T1、T2
关闭，在A相绕组的续流作用下，二极管D1、D2
被导通，电流从负极流过D1、绕组、D2后，回到
正极。而由于rI3关闭T4导通，在B相绕组的续流
作用下，二极管D3被导通，电流在D3、绕组、T4
构成的回路内流动。两相叠加后，母线电流为负，
其大小等于A相电流的大小。在很多工况下，某一
项绕组关断时，另一项正好处于续流阶段，因此母
线电流能达到的最小值大小等于相电流的最大值，
方向为负。
另一方面，在一个电周期内，相电流大部分时
间处于斩波控制状态，IGBT在同时导通和一开一关
两种工作方式下不断切换。当IGBT同时导通时，电
流从母线正极流向负极，方向为正；一开一关时，
相电流则会在IGBT、二极管、绕组构成的回路内流
动，母线电流变为0。IGBT在两种工作方式下不断
切换，直接导致母线电流大小在0和相电流大小之
间不断跳变，因此其波形接近方波，频率等于相电
流斩波的频率，如图1中tl到t2阶段母线的电流
波形。
图3 母线电流最小时电流方向
通过上述分析可知，母线电流的最大值和最小
值出现在换相时。最大值在两相同时导通时产生，
大小约为相电流最大值的2倍；最小值在一相续流
回馈而另一相续流斩波时产生，大小约为相电流最
大值的一1倍。实际测量到的数据显示，当电机相电
流最大值为330A时，对应母线最大值约650A，最
小值约-330A，与上述分析基本一致。
2 解决方案
开关磁阻电机母线电流剧烈波动是由其独特的
工作方式决定，难以通过更改控制方式来消除，但
是可以考虑在母线上增加一个低通滤波环节来进行
优化。对电机各工况下的电流数据进行频域分析，
母线电流的频率主要集中在1 kHz到5 kHz之间。因
此，改善此问题需要对电流中高于1 kHz的成分进
行有效的抑制。
2．1 一阶RC滤波性能分析
在本文所述的电机系统中，母线电阻值估算约
2 mQ，正负母线之间设计有一个1000 的薄膜电
容，相当于控制器在输入端有一个一阶RC低通滤
波器，其电路结构如图4所示，对应的伯德图如图5
· 9D· 麓 49卷
所示。
JlHz
图5 控制器中RC低通滤波器伯德图
从图中可看出，该RC滤波器的截止频率约
100 kHz，而对于电机母线电流的主要频率范围1
kHz到5 kHz，其衰减几乎可以忽略不计，因此滤波
效果较差。在本例中，要想获得较好的滤波效果，1
kHz以上的信号衰减幅度需要达到一10 dB以上。
对于上述的RC滤波器而言，增大c或者R可
以有效的减小截止频率。但是若要实现对1 kHz以
上频率信号实现一10 dB以上的衰减效果，需将R
增大至1 Q，或者将c增大至5 mF。将 增大至1
Q会造成超过10 kW的功率损失，将c增大至5 mF
会导致体积成倍增加，两种方案均不实用。另一方
面，RC滤波器是一种一阶滤波器，其过渡带比较
宽，衰减速度较慢，当1 kHz的频率信号衰减达到
0．1倍时，正常的低频信号也会衰减，对电机性能
造成较大影响。
2．2 二阶RLC滤波器设计及分析
相比一阶滤波器，二阶滤波器有更快的衰减速
度和较窄的过渡带，拥有更好的滤波效果。因此可
以考虑在母线正极串联一个大功率电感，构建一个
二阶的RLC低通滤波器，其电路结构如图6所示。
图6 RLC低通滤波器电路结构
对应的可以写出其传递函数：
G(s)= 1雨
将式中S替换为 写成标准形式为
) 1
其中， 詈√詈为阻尼比， 转折频率。
从上式中可知，增大 、c可以有效降低转折频
率，从而增强对高频信号的衰减能力，增大 则可
以提高系统的阻尼比，增加稳定性。但R增大会显
著增加系统的热损耗；电感 值过大则会影响系统
动态性能，降低稳定性；增加C对系统性能有利，
但体积和成本会显著增加，降低经济性，因此三个
参数的选取需要综合考虑。
选取两组参数分析引人电感后系统性能的变化：
(1)R=2 mQ，L=0 H，C：1000 F；(2)R=
2 mQ，L=50 H，C=1000 F。伯德图如图7所
示。由于增加了电感，系统成为了二阶滤波器，衰
减速度加快，对高频信号的衰减作用显著增强，但
因其转折频率约1 kHz，所以对1 kHz到5 kHz的电
机电流信号衰减不够明显。
Ifl 、＼＼ ＼ ＼～ I 、
I ’’’ ’-一
JlHz
图7 引入电感后系统伯德图
转折频率与 、c乘积的平方根成反比，选取两
组参数对比分析LC乘积对系统性能的影响：(1)尺
= 2 mfL，L=50 H，C=1000 F；(2)R=2 mD,，L
= 150 txH，C=3000 F。对应的伯德图如图8所示。
从图中可知，增大LC参数后，转折频率由
1 kHz降到了约200 Hz，从而对1 kHz以上的信号衰
减度达到了一20 dB以上，滤波效果明显提升。
主
5期 朱江等：开关磁阻电机母线异常电流的研究朱 · ·
H
图8 增大￡C后系统伯德图
图9 增大R后系统伯德图
但上述系统在转折点附近有明显的震荡，
加系统的稳定性，需适当增加阻尼比，阻尼比与
Jc／L、R成正比。其中改变c或者 都对阻尼比影
响较小，所以最佳方式是增加 的值。但 增大会
增加系统热损耗，因此需要兼顾系统效率和稳定性。
取两组参数进行对比：(1)R=15 mQ，L=150 H，
C=3000 F；(2)R =2 mr／，L=150 txH，C=
3000 la,F。
从图9中可知，增大R后频率转折点处的增益
显著减小。实际上由于滤波器前后级输出和负载的
影响，转折点处系统依然能稳定的工作，同时其发
热功率小于150 W，满足使用要求。
3 试验及结果
将一个15 mQ的电阻和一个150 H的电感串
入回路中，并将电容大小增大至3000 ，进行实车
测试，对改善效果进行验证。
以怠速充电工况为例，当电机以15 A的电流进
行怠速充电时，其母线电流峰峰值由最初的183 A
以上降低到约l5 A，电流波动频率由3．4 kHz降至
660 Hz，效果显著，电流对比波形如图10所示。
图10 怠速充电工况下电流改善效果
对正常起步、急加速起步、10％坡度正常起步、
10％坡度急加速起步、紧急制动等工况进行测试，
均取得了明显的改善效果，电流峰峰值和波动频率
为增 都显著减小，测试数据如表1所示。
表1 改善后实车测试电流数据
4结语 竺 、
通过上述分析及试验，可得出以下结论： 电流最大值的-1倍，而其波动频率由斩波的频率决定；
(1)开关磁阻电机母线的电流的异常主要体现在电 (2)开关磁阻电机母线电流异常由其SE作方式决定，
流波动幅值过大和波动频率过高，其中最大值在两相同无法通过软件来消除，但是通过仿真和计算可知，在回
． 92． |IL'l}杠 卷
(上接第84页)
由试验结果可以看出，本文所述无刷直流电机
控制系统能满足系统所要求的性能参数；通过稳速
控制，稳速精度优于1％ ，且多台控制系统一致性
较好；通过电磁兼容性测试，系统电磁兼容性能满
足GJB15 1 A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度
要求中的CE102、RE102指标要求。
5 结 语
本文所述无刷直流电机控制系统，采用高功率
密度集成功率模块方案，大大减小了控制系统的体
积和重量，性能指标完全满足军用产品要求，可进
一步推广至航空航天、石油化工、工业现场等对产
品可靠性要求较高的场合。
参考文献
[1] 谭建成．永磁无刷直流电机技术[M]．北京：机械工业出版
社，2010．
[2] DAC2800D Series 6W Dual DC—DC Converters．M．S．Kennedy
Date Sheet．
[3] MSK43 10 3 Phase Brushless Motor Speed Controller．M．S．Kennedy
Date Sheet．
(上接第87页)
变定时常数的方法来改变脉冲频率，达到变速的目
的，本例采用89C51单片机，其定时器属于加1定
时器，在步进电机加速时，定时常数应增加即常数
值大，溢出中断时间快，减速时定时常数应减
小_1 。考虑剪板机的生产实际，为了提高系统的响
应速度，避免程序运算耽误步进电机的运行速度，
简化程序编制，故采用查表法完成速度控制，查表
法就是将加减速曲线离散化，把离散所得的转速序
列对应的时间常数序列，做成表格存储在程序存储
器中，重置定时常数，实现加减速的快速控制，如
图4所示为其加减速控制流程图，为了简化，减速
时也采用与加速时相同的方法，取加速的逆过程
设计。
5 结 语
文章结合工程技术改造实际进行研究，对板材
的全自动剪切生产控制系统进行分析。考虑中小企
业的经济性及实际情况，系统采用步进电机控制板
料定长，通过分析步进电机负载及匹配情况，设计
了步进电机驱动电路，进一步研究了步进电机位置
速度控制设计和程序控制流程，并结合实际采用查
表方式，来实现加减速的快速控制。经过实际应用
验证，本例的全自动剪板机控制效果良好，工人劳
动强度大大降低，劳动效率大幅度提高，而且，整
个控制系统，采用模块化设计，集成度高，结构简
单，成本低，操作方便，且维护方便灵活性， 自动
化水平较高。
参考文献
[1] 郭琳．全自动切割机单片机控制系统的设计开发[D]．南京：
东南大学，2003．
[2] 李东君．基于单片机技术的全自动剪板机研制[J]．机械研究
与应用，2005(5)：121-123．
[3] 范超毅，范巍．步进电机的选型与计算[J]．机床与液压，
2008(5)：310-313324．
[4] 黄战华等．大功率步进电机高低压驱动技术[J]． 电力电子技
术，2000(4)：31-32，62．
[5] 汪小平，牛治平．PLC在卷取电机供电系统中的应用[J]．电力
自动化设备，2000(3)：48-50．
[6] 夏路易，石宗义．电路原理图与电路板设计教程[M]．北京希
望电子出版社，2002．
[7] 刘艳霞，桑兆辉．基于ARM芯片S3CA510的步进电机加减速
控制[J]．机床与液压，2007(7)：180-181．
[8] 吴永宏，寇子明．步进电机数字控制功能的软件实现[J]．山
西机械，1999(2)：16—1720．
[9] 袁铮，王海全，孙治国．高精度步进电机脉冲分配器设计[J]．
电力自动化设备，2005，12：63-66．
[1O] 吴金戍．8051单片机实践与应用[M]．北京：清华大学出版
社，2002．

网友评论 more

电力安全论文最新内容

03-05