矢量控制變頻器在混合動力電動汽車中的應(yīng)用
摘要:本文介紹了如何使用普傳PI7000矢量控制變頻器的主板端子功能、保護功能等實現(xiàn)混合動力電動汽車的低頻大轉(zhuǎn)矩及通過汽車油門信號的大小進行調(diào)速的工藝要求,同時實現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保;著重介紹了變頻器在混合動力電動汽車系統(tǒng)中的工作原理,變頻器矢量控制的功能參數(shù)設(shè)置及調(diào)試方法,變頻器常見故障及排除措施。
關(guān)鍵詞:混合動力電動汽車 矢量控制變頻器 轉(zhuǎn)矩控制 環(huán)保節(jié)能 PLC
1、 引言
混合動力電動汽車是指以蓄電池組作為動力源,用電動機和發(fā)動機驅(qū)動車輪行駛。電動機不排放有害氣體并且和發(fā)動機混合驅(qū)動可以大大減少有害氣體的排放量。目前城市大氣污染總量的半數(shù)以上來自燃油汽車尾氣,從大氣環(huán)保出發(fā),自20世紀60年代開始,以電力電子為基礎(chǔ)的電氣傳動技術(shù)的進步,為混合動力電動汽車的開展提供了先進的物質(zhì)基礎(chǔ);機電一體化技術(shù)的興起與發(fā)展,為燃油汽車這一典型的機械產(chǎn)品向機電一體化方向演變提供了十分豐富的技術(shù)經(jīng)驗。混合動力電動汽車的機電一體化配置模式,控制方法,還處在百花齊放的階段,既不成熟,也未定型。為了保證混合動力電動汽車和諧有序發(fā)展,國家已創(chuàng)造了一個良好的政策環(huán)境、市場環(huán)境和消費環(huán)境,因為發(fā)展混合動力電動汽車對節(jié)約能源、緩解環(huán)境污染具有重要意義,并且汽車工業(yè)是耗油大戶,目前我國汽車工業(yè)的耗油量占石油消耗的1/4。2004年,我國產(chǎn)油1.7億噸,進口突破1億,石油消耗量占世界石油消耗量近20%,但GDP只占世界GDP的4%,在這種情況下,發(fā)展取代燃油型交通工具的混合動力電動汽車對我國經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。另外,汽車業(yè)的發(fā)展給環(huán)境保護帶來比較大的壓力,混合動力電動汽車廢氣排量少之又少,噪音污染很小,發(fā)展混合動力電動汽車可大大減輕環(huán)境污染方面的壓力。普傳PI7000矢量控制變頻器已成功應(yīng)用到混合動力環(huán)保、節(jié)能型電動汽車系統(tǒng)中,已通過長期的各種試驗與檢驗,現(xiàn)已在澳門的公路上穩(wěn)定行駛,達到了環(huán)保、節(jié)能的效果。
2、 混合動力電動汽車的傳動系統(tǒng)
汽車是一種在陸地露天運行、結(jié)構(gòu)緊湊、具有車載能源的走行機械,工礦復雜。既要能適應(yīng)高速飛弛、又要能頻繁起制動、上下坡快速超車緊急剎車;既要能適應(yīng)雪天、雨天、盛夏嚴冬、雪后灑鹽等惡劣天氣條件,又要能承受道路的顛簸振動,還要保證司乘人員的舒適與安全?;旌蟿恿﹄妱悠嚨暮诵模且米冾l器控制電動機的系統(tǒng)取代其機械據(jù)推進系統(tǒng),用電池代替汽油作為車載能源,在實現(xiàn)零排放或少排放的前提下,滿足燃油汽車各項性能、價格指標的要求。據(jù)此可將混合動力電動汽車傳動系統(tǒng)歸納為以下幾點:
(1) 基速以下大轉(zhuǎn)矩以適應(yīng)快速起動、加速、負荷爬坡、頻繁起停等要求,基速以上小轉(zhuǎn)矩、恒功率、調(diào)速范圍寬以適應(yīng)最高車速和公路飛弛超車等要求,上述要求可通過PI7000矢量變頻器功能參數(shù)的簡單設(shè)置即可實現(xiàn)。
(2) 整個轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速運行范圍內(nèi)的效率最優(yōu)化、以謀求電池一次充電后的續(xù)弛距離盡可能長。一輛燃油汽車帶50kg汽油約可行駛700km,如改裝為帶400kg鉛酸電池的混合動力電動汽車,則只能行駛100km。最近報導,采用最新研制的燃料電池可達到450km。開發(fā)比能量更高的新型電池是最根本的解決辦法,但降低電氣傳動系統(tǒng)的損耗也是重要的一環(huán),使用PI7000矢量變頻器控制電動機,可達到高效節(jié)油、節(jié)能。
(3) 電動機及電控裝置結(jié)構(gòu)堅固、體積小、重量輕、免維修或少維修、抗顛簸振動。PI7000矢量變頻器將PLC及信號裝置等集成到一體。
(4) 操縱性能符合司機駕駛習慣,運行平穩(wěn)、乘坐舒適,電氣系統(tǒng)換效保障措施完善。比如,當電壓命令信號線、電流反饋或速度傳感器線斷或短路時,可能引起振幅達正負最大輸出轉(zhuǎn)矩的振蕩。必須具備能及時發(fā)現(xiàn)此類事故的措施,并在一旦發(fā)現(xiàn)事故時,立刻切斷電動機的電源。PI7000矢量變頻器和PLC配合使用,具有快速的過流、過載、過壓、PG線斷等多種保護功能,一旦保護立即停止輸出電壓,司機按復位按鈕即可復位恢復正常工作狀態(tài),司機可通過觸摸屏非常直觀地監(jiān)視電池電量、運行轉(zhuǎn)速、工作電流等,司機也可通過觸摸屏查詢故障時的電流、頻率、電壓及故障時的狀態(tài)等,操作及排除故障方便快捷。{{分頁}}
3、 混合動力電動汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及其工作原理
工作原理:混合動力系統(tǒng)主要有能源供給系統(tǒng)、電氣驅(qū)動系統(tǒng)和機械傳動系統(tǒng)三大部分組成。
(1) 能源供給系統(tǒng):由動力電池組、發(fā)動機一直流發(fā)電機組組成。
(2) 電氣驅(qū)動系統(tǒng):由變頻器和電動機組成。
(3) 機械傳動系統(tǒng):將內(nèi)燃機和電動機的機械輸出通過離合器和減速器送給輪軸。
如果電池組電量不足,則啟動發(fā)動機通過直流發(fā)電機給蓄電池組充電,以保證有足夠的能源供給。變頻器控制電動機通過減速器及差動齒輪驅(qū)動前(或后)輪軸,內(nèi)燃發(fā)動機通過自動離合器與電動機同軸安裝(如圖1所示)。在車輛起動時或在市區(qū)內(nèi)行駛時,只由蓄電池組通過變頻器向電動機供電,即純電動驅(qū)動;在公路上行駛時,離合器接通,由內(nèi)燃發(fā)動機負現(xiàn)驅(qū)動輪軸,此時電動機作為發(fā)電機運行,通過變頻器給電池補充充電;高速重負載行駛時,電動機與內(nèi)燃發(fā)動機同時驅(qū)動輪軸,即混合驅(qū)動,以提高驅(qū)動功率,實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。
4、 電動機控制系統(tǒng)
4.1電動機控制系統(tǒng)的組成
圖2示出系統(tǒng)示意思圖
(1) 蓄電池:給變頻器提供DC336V直流電。
(2) 變頻器及PLC:信號控制并且給三相異步電動機調(diào)速及保護電動機過流、過載、過壓等。
(3) 三相異步電動機及速度傳感器:實現(xiàn)矢量控制,通過減速器及差動齒輪驅(qū)動前后或后輪軸。
(4) 減速器及輪軸、車輪:實現(xiàn)汽車前進、后退、停止等功能。{{分頁}}
4.2 PI7000矢量變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖及其主元器件選擇
(1)工作原理:蓄電池給電解電容充電,使直流母線電壓保持恒定336V左右,充電電阻R為限流電阻,限制剛上電瞬間的大的充電電流的沖擊;電源板工作后,通過延時電路使接觸器吸合,限流電阻被短接。IGBT并聯(lián)使用構(gòu)成上下橋臂,即為逆變器部分,將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺兊娜嘟涣麟娮鳛槿喈惒诫妱訖C的輸入工作電源。當有大的短路電流時,保險FU斷開起保護主元器件作用;當直流母線有高的尖峰電壓時,吸收電容C將尖峰電壓吸收,防止主元器件因過壓擊穿或頻繁跳保護,如圖3所示。
(2)元器件的選擇。根據(jù)三相異步電動機的功率為90kW,額定電流為340A,額定電壓為220V,額定頻率為37.5Hz,最高頻率140Hz,固選逆變器件IGBT為1200A/600V,儲能電解電容為6個4700μF/450V,并聯(lián)在高壓直流母線兩端,保險為600A;每個IGBT的PN端并聯(lián)兩個3μF/600A的吸收電容。
4.3 PI7000矢量變頻器控制板接線示意圖及其說明
控制過程說明:司機腳踩油門、換檔、腳剎、倒車等的操作的狀態(tài),其所對應(yīng)的數(shù)字或模擬信號傳送到PLC中,PLC通過程序處理,再將所需信號傳送到變頻器的控制板的接線端子,對變頻器進行自動控制,變頻器按照所設(shè)定的功能參數(shù)實現(xiàn)相應(yīng)的功能。變頻器采用矢量轉(zhuǎn)矩控制,滿足汽車系統(tǒng)的低頻大轉(zhuǎn)矩輸出、高速動態(tài)特性,使三相異步電動機帶動輪軸快速、平滑的起動、運行、停止(沒有沖擊力),半坡起動力矩可以達到200%,達到混合動力電動汽車的設(shè)計要求,如圖4所示。
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5、 PI7000矢量變頻器功能參數(shù)設(shè)置及其說明
表1示出變頻器參數(shù)設(shè)置及其說明
6、 PI7000矢量變頻器在混合動力電動氣車系統(tǒng)中的調(diào)試步驟
6.1實驗室調(diào)試
(1)空載測試
將直流311V接入變頻器的輸入端,設(shè)置相應(yīng)的功能參數(shù),運行至50Hz,用整流式指針萬用表測三相輸出電壓正常;鍵盤監(jiān)視的直流母線電壓值與用萬用表實測的值一致,否則通過修改功能參數(shù)L01進行校正。
(2)帶載測試
待機狀態(tài),將電機的輸入線接至變頻器的輸出端,無誤后上電。頻率一點點升至滿頻,用萬用表測試三相輸出電壓是否平衡,用嵌流表測電機的三相輸出電流是否平衡,觀察鍵盤各監(jiān)視:輸出頻率、輸出電流、輸出電流百分比、電機轉(zhuǎn)速、IGBT溫度等是否有異常;調(diào)整功能參數(shù)L01,將輸出電流百分比調(diào)準,即變頻器輸出的電流與鍵盤監(jiān)視的電流相一致;調(diào)整電源板上的參數(shù)位R35、R37,使變頻器達到2.6倍的額定電流時跳過流保護。斷電,將速度傳感器的接線與變頻器的PG卡端子一一對應(yīng)接好。{{分頁}}
(3) 電機參數(shù)測量
上電將功能參數(shù)b13設(shè)為有效,變頻器即開始自動測量電機的定子電阻,轉(zhuǎn)子電阻,電機漏感,電機勵磁電感等參數(shù)并自動存儲到b05-b09中。
(4) PG的方向確定
設(shè)置功能參數(shù):F01設(shè)為2,即帶PG的矢量控制模式;F02設(shè)為5Hz,即給定頻率為5Hz,F(xiàn)09設(shè)為5S,即加速時間為5S,F(xiàn)10設(shè)為5S,即減速時間為5S。然后手動運行,如果電機可以正常運行到5Hz,表示b12PG旋轉(zhuǎn)方向設(shè)定正確;如果電機只能運行在1Hz以下,表示PG旋轉(zhuǎn)方向需要通過b12進行校正。
(5) 電機方向確定
給定正轉(zhuǎn)運行命令,如果電機正傳,表示電機方向設(shè)定正確;如果電機反轉(zhuǎn),表示電機方向與命令方向相反,需要更改端子的命令,將FWD和REV的接線端子對調(diào)。
(6) 上述測試如有異常,立即查找原因并排除故障。
6.2動態(tài)調(diào)試
(1)檢查變頻器在汽車系統(tǒng)中的接線無誤后,方可上電調(diào)試。
(2)空車調(diào)試
司機將檔位掛在D檔(即高速檔),腳踩油門,對汽車進行前進、倒退、平穩(wěn)運行、拐彎運行、停止操作,用鍵盤將功能參數(shù)F09、F10加減速時間逐漸減小,使其能夠快速起動而沒有沖擊力又不跳保護即可。
(3) 汽車加載調(diào)試
將汽車中放滿裝滿水的桶、模擬乘客。司機將檔位掛在D檔,腳踩油門,對汽車進行前進、倒退、平穩(wěn)運行、拐彎運行、爬坡運行操作,監(jiān)視變頻器鍵盤看是否跳過流、過壓保護;如果跳過流保護,將功能參數(shù)C04給定轉(zhuǎn)矩逐漸提高,C05給定勵磁逐漸降低,S曲線加速起始段F18逐漸提高;如果跳過壓保護,將功能參數(shù)L13變頻器過壓保護點逐漸提高,不要超過400V(電解電容耐壓為450V),S曲線減速起始段F19逐漸提高。司機將檔位掛在L檔(即低速檔,半坡起動時掛此檔),重復上述操作及調(diào)試。注:修改變頻器參數(shù)時,需告訴司機掛空檔。
(4) 汽車路試
上述調(diào)試沒有異常后,司機駕駛汽車到各站點模擬試驗,每天3-4次。通過鍵盤觀察各監(jiān)視是否有異常,并做好記錄。
(5) 上述調(diào)試試驗如有異常,立即查找原因并排除故障。PI7000矢量變頻器的故障與異常處理,可見表2。
7、結(jié)束語
普傳PI7000矢量變頻器在混合動力電動氣車系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩控制的應(yīng)用,不但節(jié)能而且環(huán)保。經(jīng)過不斷的試驗,不斷的改進軟件,現(xiàn)已具有質(zhì)量可靠,性能穩(wěn)定,調(diào)試方便,抗干擾能力強,維護簡單等優(yōu)點,用戶非常滿意,混合動力電動汽車系統(tǒng)采用變頻器調(diào)速技術(shù)值得推廣。
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