车载低压大电流笼型异步电机发电系统的研究和实现

苏 宁，黄文新，卜飞飞，庄圣伦

(南京航空航天大学，南京210016)

0 引 言

现代车辆，尤其是特种车辆上的用电设备越来越多，且用电设备大多以低压直流电源(如28 V)进行供电，总功率已达10 kW 级，供电电流达数百安培以上。低压直流电源简单可靠，便于使用蓄电池作为备用与应急［1］。传统车载电源系统需附加一辆挂车装载柴油机和发电机对用电设备进行供电，使用不便且价格昂贵［2］，目前已较少使用。新型车载发电系统采用行驶取力发电方案，降低了系统成本，提高了系统灵活度，已逐渐取代传统方案，同时也对发电系统的设计和实现提出了更高的要求［3］。

随着用电设备增多，用电量增大，常规有刷低压直流发电机由于电刷与换向器的存在，其电机的最大容量被大大限制，且换向火花和电磁干扰问题难以解决［4］，不能满足高性能车载电子设备的供电要求。针对车载发电系统可靠性、灵活性和经济性的要求，文献［5－7］利用永磁电机设计，实现车载发电以及辅助功率单元系统，取得良好的控制效果。但是永磁电机成本较高，励磁不可调节，不可灭磁，不适宜低压宽转速范围的应用场合，同时永磁材料也有失磁的风险。文献［8－9］研究了混合励磁电机、爪极发电机等特种电机车载发电系统，主要针对混合动力系统和辅助功率单元进行设计，但是电机转轴转速范围不大且功率等级低。文献［10］研究了异步发电机在低压大电流牵引系统中的应用和控制，文献［11］研究了异步电机在混合动力汽车中的辅助功率单元的电动控制，两者说明了异步发电机在低压大电流和宽转速范围场合中优良的应用特性。此外，笼型异步电机还具有天然的无刷结构、结构简单、坚固耐用、成本低廉、发生故障时易灭磁，安全可靠，发电运行动态性能好等特点，可以在车载低压大电流发电系统应用场合中发挥更大的作用。

基于上述的讨论比较，本文选取异步电机并研究其在低压大电流发电场合中的应用技术，针对车载额定功率15 kW、额定电压28.5 V、额定转速800～2 400 r/min 的应用要求，研究与设计了笼型异步发电机的闭环发电系统，实验验证了其技术可行性。

1 车载笼型异步电机发电系统的总体设计

笼型异步电机发电系统的总体设计如图1 所示，主要由发动机(原动机)、笼型异步发电机、功率单元、蓄电池组和控制单元共五部分组成。该发电系统直接输出额定为28.5 V 的直流电。蓄电池组并联在直流母线上，在发电系统建压时提供励磁，在正常工作时得到充电，而当发电机停止工作时，能够向母线提供24 V 直流电源。在低压大电流场合中，15 kW 满载时母线电流和相电流将达到500 A 以上，由此产生的损耗和电磁干扰相当可观［12］。因此，本系统采用叠层母排结构的主功率单元设计。叠层母排结构为多层复合结构，具有低阻抗、抗电磁干扰等优点，非常适合于低压大电流应用场合［13－14］。

图1 异步电机发电系统结构示意图

2 车载笼型异步电机发电系统控制策略

在异步电机发电系统中，输出电压发生变化的原因是转子侧产生的电磁功率与定子负载侧实际需求的电功率之间的不平衡。因此，异步发电系统输出电压的稳定性，动态性能的提高，其根本在于保证当系统运行状况发生变化，尤其当突加/卸载时，快速实现功率平衡［15－18］。

不计发电系统的损耗，系统进入发电状态后，有下式成立:

式中:Te为电磁转矩;ωr为转子角频率，由于机械时间常数比电气时间常数大得多，转子角频率变化较慢，在分析电磁过程时，ωr可视为常数;Pout为负载消耗的电功率。

对式(1)左右两边作差分，可得式(2):

当负载突变时，定子侧负载功率也随之发生突变。若需要保证直流侧输出电压波动时良好的动态性能，那么由式(2)可知:输出功率与电磁转矩之间的变化量存在线性关系，快速调节电磁转矩就能快速调整输出功率，从而保证输出电压的稳定［19－21］。

若气隙磁通的幅值φm恒定，当转差频率ωs不大于最大转差频率ωsmax时，系统处于稳定运行范围内。负载消耗的电功率与转差频率近似成正比关系:

根据上述讨论，得到采用比例(P)调节器对转差频率进行前馈控制的策略:系统检测计算输出功率，经过比例调节后得到异步发电机的给定转差频率及给定定子频率;再由电机V/F 曲线得出的给定相电压幅值;经过SPWM 调制对三相整流桥进行驱动。

仅仅依靠前馈控制不能完全消除静差。为了保证直流母线电压的稳定无静差，同时提高动态品质，除了前馈调节之外，还需要对系统的直流母线电压进行反馈调节。调节器采用常用的比例－积分－微分(PID)调节器。在负载一定的情况下，母线电压瞬时值大小反映了系统有功功率的输出大小，因此母线电压反馈调节量应加到异步发电机的给定转差频率上。

由此得到异步发电系统的给定转差频率控制规律为:

采集系统直流输出母线的电压电流，即可得到系统的瞬时输出功率，通过式(3)的关系即可计算出不同输出功率下对应的转差，再由式(4)，与直流母线电压反馈调节值相加，得到异步发电机的给定转差频率及给定定子频率，完成对异步发电系统转差频率的闭环控制。图2 显示了笼型异步电机发电系统转差频率控制的原理框图。

图2 笼型异步电机发电系统转差频率控制原理框图

3 车载笼型异步电机发电系统的实验研究

实验样机平台的软硬件结构示意图如图3 所示。发电机参数为额定相电压11 V，额定功率15 kW，转速范围800 ～2 400 r/min。样机平台的蓄电池容量为110 A·h。实验研究中使用两台电机对拖模拟车载运行。拖动电机为一台笼型异步电机，参数:额定线电压380 V，额定功率37 kW，额定转速1 480 r/min，额定工作频率50 Hz。

发电系统的控制电路选用Freesclae 公司的MC56F8346 型号的DSP 芯片为控制器核心，具体分为采样调理电路、保护电路、控制器电路、驱动电路、显示电路几个部分。控制电路能够接收外界控制和通讯信号对发电系统进行控制，并且可以在LED 面板上显示系统运行状态。

图3 异步电机发电系统样机平台结构示意图

因为系统工作在低压大电流场合中，所以其主功率电路部分的设计实现需要考虑大电流所带来的损耗及电磁干扰而产生的一系列影响。本系统主功率模块采用叠层母排结构，其结构示意图如图4 所示，该结构可以有效降低寄生阻抗对系统的不良影响。三相整流桥与滤波电容共同安装在叠层母排上。其中整流桥桥臂模块选用IXYS 公司VMM1500－0075型号MOSFET 模块。该MOSFET 模块正向耐压较小，但其导通沟道的等效电阻很小，典型值仅为0.38 Ω，导通损耗小，适用于低压大电流应用场合。驱动板近距离地布置在主功率模块上方，可以减小主功率主电路中大电流对驱动电路控制信号的干扰。同时在主功率模块上安装无感电容和TVS 瞬态抑制二极管，以抑制大电流突变而产生的冲击尖峰。根据纹波和动态性的要求，选用六个滤波电解电容并联于直流母线，总等效值为19.8 mF。

图4 采用叠层母排结构的主功率模块结构示意图

4 实验研究结果和分析

图5 显示了异步发电系统实验样机的建压过程。建压时系统采取了逐步增加母线电压和相电压给定的控制策略，使得建压过程得以平稳执行。Udc表示直流母线电压，而iu表示异步电机定子绕组的u 相电流。建压后母线电压平稳升至28.5 V，相电流有效值为127 A，完成建压。

图5 异步发电系统建压过程

图6 显示了转速从780 r/min 至1 800 r/min 变速运行时系统的母线电压和相电流波形。可以看出母线电压在不同转速下仍保持稳定。图6(a)为降速波形，图6(b)为升速波形。当降速运行时，异步机需要更大的励磁电流，故相电流幅值增加;升速时异步机需要更小的励磁电流，故相电流减小。

图6 异步发电系统变速运行过程

图7 显示了系统15 kW 满载时的输出电压和相电流波形。由图7 可以看出，稳态电压保持在28.5 V，系统正常工作，满足国家军用标准GJB181A－2003 中28 V 直流系统的稳态标准要求。

图7 异步发电系统15 kW 满载运行波形

图8 显示了系统的突加/卸载5 kW 负载的输出电压、电流波形。实验显示母线电压调整时间约为35 ms，调整时电压波动约为3 V。国家军用标准GJB181A－2003 对28 V 直流系统正常电压瞬变包络线作了如图9 所示的规定，要求发电系统的电压瞬变波形在该包络线内。从实验波形和国军标中的电压瞬变包络线的比对可以看出，图8 的电压波形满足国家军用标准GJB181A－2003 的要求。

图8 异步发电系统突加/卸负载波形

图9 GJB181A－2003 28 V 直流系统正常电压瞬变包络线

5 结 语

本文针对15 kW 车载低压大电流笼型异步电机发电系统的控制和实现作了研究，进行了该发电系统的总体设计，分析了异步发电机的转差频率控制策略，叙述了相关软硬件结构和实现过程，并给出了控制框图和系统软硬件结构示意图。实验结果表明该发电方案可以成功输出稳定可靠的直流电能，相关技术指标符合要求，验证了笼型异步电机发电系统在低压大电流应用场合的技术可行性。

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