使用合適PWM驅(qū)動(dòng)我們的電機(jī)系統(tǒng)，在什么條件下可以再生最大的能量

那么，哪種 PWM 技術(shù)最適合您的電機(jī)控制應(yīng)用?當(dāng)然有很多選擇可供選擇，每一種都具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在關(guān)于該主題的最后一篇文章中，我們將討論直流和交流電機(jī)的再生。由于電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的普及，這在過去十年中已成為一個(gè)更加相關(guān)的話題。在這些應(yīng)用中，再生發(fā)生在直流母線中，最終連接到車輛中的直流電池組。但我們將在這篇文章中看到，我們也可以將其再生回交流電源，例如交流電網(wǎng)。

在本系列的第 4 部分中，我們研究了 4Q 雙極 PWM 技術(shù)在直流電機(jī)中的應(yīng)用。我說過，只要 PWM 過程中施加的平均電壓大于電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)電壓，并且兩個(gè)電壓具有相同的極性，那么系統(tǒng)就會(huì)在電動(dòng)模式下運(yùn)行。相反，如果施加的平均電壓小于電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)電壓，并且極性相同，則系統(tǒng)運(yùn)行在發(fā)電模式。事實(shí)證明，這條規(guī)則不僅適用于雙極 PWM，而且適用于我們研究過的所有四象限 PWM 技術(shù)。但如果施加的平均電壓極性相反呢?另外，在什么條件下可以再生最大量的能量?

為了回答這些問題，讓我們看一個(gè)具體的例子并將我們的發(fā)現(xiàn)外推到一個(gè)通用的解決方案?？紤]以下由 H 橋供電的有刷直流電機(jī)的情況，該電機(jī)連接到堅(jiān)硬的 24V 電源。電機(jī)軸連接到測(cè)功機(jī)，測(cè)功機(jī)使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)(負(fù)反電動(dòng)勢(shì))。

在 t = 0 時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)電壓為 -24 伏，PWM 占空比為 -1(Q2 和 Q3 在 100% 的時(shí)間內(nèi)開啟)?，F(xiàn)在，讓我們慢慢地將 PWM 值從 -1 掃描到 +1(Q1 和 Q4 在 100% 的時(shí)間內(nèi)開啟)。已創(chuàng)建此場(chǎng)景的 Spice 仿真，所得平均應(yīng)用電機(jī)電壓以及總線功率如下圖所示。您可以單擊此處的鏈接自行下載并運(yùn)行 Spice 仿真。

我們可以收集到一些有趣的觀察結(jié)果：

1. 由于反電動(dòng)勢(shì)電壓為 -24V，從 -1 到 0 的整個(gè) PWM 范圍將產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)用的平均電機(jī)電壓，其幅度較小且與反電動(dòng)勢(shì)電壓具有相同的極性。因此，從 -1 到 0 的 PWM 值會(huì)導(dǎo)致再生。

2. 當(dāng)施加的平均電機(jī)電壓為-12V 時(shí)，發(fā)生最多的能量再生。事實(shí)上，當(dāng)施加的平均電機(jī)電壓等于反電動(dòng)勢(shì)電壓的一半時(shí)，總是會(huì)出現(xiàn)最大功率再生點(diǎn)! 如果您不相信我，請(qǐng)嘗試在模擬中更改測(cè)功機(jī)速度并親眼看看!

3. 當(dāng) PWM 值達(dá)到 0(占空比為 50% 的雙極電機(jī)電壓)時(shí)，總線功率也變?yōu)榱悖M管電機(jī)電流繼續(xù)增加。動(dòng)能不是被送回直流母線，而是消耗在電機(jī)繞組和電源開關(guān)中。

4. 從 0 到 +1 的 PWM 值創(chuàng)建一個(gè)與反電動(dòng)勢(shì)電壓相比具有相反極性的平均施加電壓。因此，再生不可能發(fā)生。取而代之的是進(jìn)入“堵塞”區(qū)域，在那里動(dòng)能再次耗散在電機(jī)繞組和電源開關(guān)中。但在堵塞區(qū)域，母線電壓現(xiàn)在與反電動(dòng)勢(shì)電壓串聯(lián)，以增加電機(jī)電流。如果任其發(fā)展，電流可能達(dá)到潛在的危險(xiǎn)水平。

無論您選擇哪種四象限 PWM 技術(shù)，所有這些觀察結(jié)果都可以總結(jié)在下圖中?？梢钥闯?，通過簡(jiǎn)單地控制相對(duì)于直流電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)電壓的平均施加電壓來控制能量流。(在這一點(diǎn)上，我應(yīng)該提醒你，決定是否發(fā)生再生的實(shí)際上是平均母線電流。但是，施加的平均電壓與反電動(dòng)勢(shì)電壓之間的關(guān)系，以及所使用的 PWM 技術(shù)的類型, 建立將導(dǎo)致正或負(fù)母線電流的穩(wěn)態(tài)條件。)

上圖適用于直流電機(jī)。但您可能會(huì)問，“交流電機(jī)呢?這里也有類似的關(guān)系嗎?” 好吧，我很高興你問了。 :-) 簡(jiǎn)單的答案是“是”。然而，反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)是正弦波，即使在穩(wěn)態(tài)條件下也會(huì)改變極性，因此上圖不適用于交流電機(jī)。相反，我們必須關(guān)注EMF 電壓相量和電流相量之間的角度關(guān)系。對(duì)應(yīng)于交流電機(jī)軸功率的每相電功率為：

其中： EMF m和 I m分別是正弦反電動(dòng)勢(shì)和電流波形的峰值幅度。

q 對(duì)應(yīng)于 EMF 和電流相量之間的角度。

從這個(gè)等式中，我們可以看出，對(duì)于給定的電流大小和 EMF 電壓，最大功率傳輸發(fā)生在q等于零或 pi 時(shí)。從反電動(dòng)勢(shì)電壓的角度來看，這些條件也會(huì)導(dǎo)致單位功率因數(shù)。可以看出，這兩種運(yùn)行條件也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)上的最大每安培扭矩 (MTPA)。所以我們想把電流相量放在與反電動(dòng)勢(shì)相量相同的軸上。對(duì)于q = 0 的情況，功率為正，這意味著功率正在傳輸?shù)诫姍C(jī)。當(dāng)q = pi 時(shí)，功率為負(fù)，這意味著功率正在從電機(jī)傳輸。

交流電機(jī)繞組的每相電路顯示在圖的頂部。您可以通過簡(jiǎn)單地使電流相量與反電動(dòng)勢(shì)相量同相或 180 度異相來控制您是在電動(dòng)模式還是發(fā)電模式下運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，您需要應(yīng)用于 H 橋的電壓相量的實(shí)部和虛部值可以通過簡(jiǎn)單地將每相電路周圍的電壓降相加來計(jì)算：

為了進(jìn)一步探索這個(gè)概念，創(chuàng)建了一個(gè) Spice 模型，該模型由連接到 H 橋并由雙極 PWM 驅(qū)動(dòng)的單相交流電機(jī)創(chuàng)建。您可以在此處下載模擬。

例如，我們假設(shè)所需的電流值為正 10 安培(電動(dòng)模式)。創(chuàng)建與 EMF 相量完全同相的 10A 相量所需的外加電壓波形的實(shí)部和虛部分量是通過使用上面顯示的相關(guān)源 B2 和 B3 的等式計(jì)算的。生成的正弦波形以代數(shù)方式相加，然后按總線電壓縮放以實(shí)現(xiàn) +/-1 的調(diào)制范圍。下圖顯示電流波形確實(shí)與 EMF 完全同相，平均母線電流為正。

現(xiàn)在讓我們將所需電流更改為負(fù) 10 安培(發(fā)電模式)并重新運(yùn)行模擬。生成的波形再次顯示如下。在這種情況下，電流波形與 EMF 波形異相 180 度，平均母線電流現(xiàn)在為負(fù)。

您可能已經(jīng)注意到我為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)電壓選擇的有趣值。170V恰好是美國住宅交流電壓的峰值。請(qǐng)記住，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)都是一臺(tái)發(fā)電機(jī)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)都是一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。因此，如果您通過串聯(lián)電感將墻上插座連接到 H 橋的輸出端，您可以將電網(wǎng)想象成一個(gè)以非常恒定的速度運(yùn)行的非常大的電機(jī)。通過了解電感器的值及其寄生電阻，您可以同步到電網(wǎng)并計(jì)算需要調(diào)制到 H 橋上的波形，以控制流入或流出電網(wǎng)的功率。在許多情況下，該直流總線連接到后端控制電機(jī)的另一個(gè)逆變器。通過監(jiān)測(cè)直流總線的電壓電平并將其與所需值進(jìn)行比較，您可以調(diào)整 H 橋上的調(diào)制，以從電網(wǎng)中提升母線電壓(電機(jī)正在運(yùn)轉(zhuǎn))，或者通過將多余的能量返回交流電網(wǎng)(電機(jī)正在發(fā)電)來降低母線電壓。如上所述，通過將電流相量與電網(wǎng)電壓對(duì)齊，您可以獲得近乎完美的效果單位功率因數(shù)，無論能量流向哪個(gè)方向!很整潔吧?

此時(shí)您可能會(huì)問，是否可以通過使用三相逆變器而不是 H 橋?qū)⑸鲜龉β士刂萍夹g(shù)擴(kuò)展到三相系統(tǒng)。答案是響亮的“是!” 事實(shí)上，你有兩個(gè)選項(xiàng)可以用來完成這個(gè)，我已經(jīng)看到使用這兩種技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)：

1. 第一種選擇是簡(jiǎn)單地將上面討論的技術(shù)外推到三個(gè)獨(dú)立的控制問題。也就是說，在電網(wǎng)各相和逆變器各相之間串接一個(gè)電感，如上所述獨(dú)立控制逆變器中的各個(gè)半橋。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以在三相系統(tǒng)上工作，即使它們是不平衡的，因?yàn)槊總€(gè)相的計(jì)算都是獨(dú)立處理的。

2. 將所有三相視為單個(gè)控制問題，并使用磁場(chǎng)定向控制 (FOC) 技術(shù)將交流電網(wǎng)電流空間矢量與交流電網(wǎng)電壓空間矢量對(duì)齊在同一軸上。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，因?yàn)樗恍枰环N控制算法，而且它重用了 FOC 的公共庫調(diào)用的相同例程。

已經(jīng)為單相和三相系統(tǒng)建立了四象限控制仿真模型，并將在稍后的文章中介紹。三相仿真使用上述第二種方法，因此在介紹此解決方案之前涵蓋 FOC 是有意義的。

很抱歉這篇冗長(zhǎng)的文章，但我想沖刺一下終點(diǎn)線，以防止它溢出到“第 8 部分”!不管您是否相信，我們?nèi)匀粵]有涵蓋所有 PWM 調(diào)制技術(shù)。例如，我們沒有談?wù)摬贿B續(xù)PWM，其名稱源于電機(jī)電流可以在低調(diào)制指數(shù)的 PWM 周期內(nèi)從導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榉菍?dǎo)通這一事實(shí)。然而，這不是一種非常流行的技術(shù)，因?yàn)殡S著電機(jī)電流在不連續(xù)和連續(xù)模式之間轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)可能會(huì)突然改變。此外，我們只是略微觸及了空間矢量調(diào)制的皮毛，它正迅速成為交流電機(jī)最流行的調(diào)制技術(shù)。然而，這種技術(shù)非常普遍，我認(rèn)為它值得在未來的文章系列中進(jìn)行特殊處理。但希望我們涵蓋了足夠多的 PWM 技術(shù)，可以為您的下一個(gè)電機(jī)控制設(shè)計(jì)提供大量可供選擇的解決方案。

請(qǐng)記住，我們?cè)诒鞠盗兄杏懻摰乃屑夹g(shù)都可以通過我們的 C2000 嵌入式處理器上的 PWM 模塊實(shí)現(xiàn)。在許多情況下，我們創(chuàng)建了應(yīng)用說明和參考設(shè)計(jì)，可以幫助您設(shè)置 PWM 模塊以完成特定類型的調(diào)制。