序号：
编码：
燕山大学 里仁学院
第十届“共创杯”大学生课外学术科技作品竞赛
作品申报书
作品名称： 再生制动的控制与分析
学院名称： 燕山大学里仁学院 申报者姓名
（集体名称）：韩林松
类别：
□ 自然科学类学术论文
□ 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
□ 科技发明制作A 类
□科技发明制作B 类
共青团燕山大学里仁学院委员会
二O 一0年五月
申报者情况
申报作品情况（科技发明制作）
说明： 1．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、
原理结构图、外观图（照片），也可附鉴定证书和应用证书；
2．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。
再生制动的控制与分析
关键词：再生制动；转矩控制；电动车
摘 要：为了延长电动车的一次充电续驶里程，分析了笼型电机的再生制动状态，提出一种再生制动方法，它既能保证不出现过流，又能够很好地与直接转矩控制系统相融合。
一、引言
为了降低电动车的使用成本，目前采用的驱动能源是铅酸蓄电池。但是铅酸蓄电池能量有限，所以电动车的一次充电续驶里程相对比较短，一般为150KM 左右。因此，在现有的情况下延长车辆的一次充电续驶里程是一项很有意义的工作。
车辆在路上经常起动、刹车，而刹车是以消耗动能为热能的方式将能量白白浪费。因为笼型电机能够实现四个象限运行，所以通过控制电机在第二象限运行来实现再生制动，将车辆的动能转化为电能反馈回的电源储存，这样就可以有效延长车辆的一次充电续驶里程。电动车直接采用蓄电池作为驱动电源，可将再生制动反馈回的能量直接给蓄电池充电。无需像一般的交流调速系统那样逆变回交流电网，控制结构相对简单。
本文分析了再生制动时各失量状态的关系、功率开关的状态以及转差率与制动之间的关系，最后给出了一种再生制动的实现方法。
二、再生制动的状态分析
1、失量分析
图1为电机电动状态时的各磁链失量关系图，其中气隙磁链为ψa，定子磁链为ψ1，转子磁链为ψ2，当电机处于电动状态时，ψ1带动ψ2 旋转，ψ1在空间位置上超前于ψ2，电机输出正转矩。
图1 磁链矢量关系
当转子旋转速度超出定子频率时，电机进入第二象限运转，此时转子切割ψa 的方向与电动状态相反，转子中的感应电流的方向与电动状态时的方向相反，使ψa的幅值增大，为了保持ψa幅值恒定，定子电流需要反向以减小ψa幅值，定子电流方向表现为由电机流向滇池，在空间位置上转子电流超前于定子电流，此时电机的输出表现为制动转矩，系统机械能经电机转化为电能馈送回电池。在整个分析过程中，气隙磁场是实现电能与机械能相互转化的纽带，因此在实现再生制动的过程中，为了保证气隙磁场的存在，需要外加一定励磁电流。
2、开关的状态分析
图2 逆变桥结构
如图2所示，以电机A 相电路为例，当A 相的反电势超过电池电压幅值的0,866倍时（设A 相电流为流出），VF4截止，VF5、VF6导通，A 相电流经由VD1、VD5、VD6 形成通路，此时逆变桥处于整流状态，反电势经由续流二极管整流向电池充电，当A 相的反电势低于电池电压幅值的0.866倍时，VF4导通，VF5 VF6截至，A 相电流经由VF4、VF2、VF3形成通路，此时蓄电池经逆变桥向电机供电，实现励磁；当反电势出现换向时，相应的功率开关器件也发生同样的变动，此时A 相电流为流进，当A 相的反电势低于电池电压幅值的0.886倍时，VF4截至，VF5、VF6导通，A 相电流经由VF1、VF5、VF6形成通路，蓄电池逆变桥向电机供电，实现励磁；当A 相的反电势高于电池电压幅值的0.886倍时，VF4导通，VF5、VF6 截至，A 相电流经由VD4 VD2 VD3形成通路，此时逆变桥处于整流状态，反电势经由续流二极管整流向电池充电、在宏观表现上看，再生制动过程表现为充电→励磁→充电→励磁的交替进行。从这一点上分析，控制再生制动的发生同样需要励磁电流，只是当励磁功率大于充电功率时，就可将再生制动终止。
3、制动与转差率
电机的L 形等效电路如图3 所示，电机内部消耗的有功功率：
制动时电机负载产生的电功率：
假设电机所带负载具有的机械能基本上被电机内部所消耗，边界情况为式
（1）与式（2）相等所以有：
由式（3）有：
当电机负转差率位于S1≥S≥S2范围时，系统的机械能经电机转化为电能向蓄电池回馈，同时电机不出现过流，也就是反馈的电能不能被电池吸收的部分，可以由电机本身承受消耗而不出现过流。当转差率变化超过该范围时，机械能经电机转化的电能无法有效回馈给电池，而剩余部分的能量在电机的线圈内阻中又无法完全消耗，因此容易出现过流。所以，从简化控制的角度出发，当控制转差率在S1≥S≥S2范围内变化时，再生制动过程就可以避免
出现过流。
三、控制再生制动的方法
由上分析可知，再生制动的控制实际上是根据电机中反电势的大小、方向控制相应桥臂的功率开关器件的通断，保证一定的励磁电流，但这稚方法具体到每相桥臂的每个开关的控制时就比较麻烦，但只要保证转子转速在超出定子旋转频率时，定子频率跟踪转子速度变化，保持一定的负转差率范围，就可实现在无过流方式下的再生制动。
根据该思路，本文提出的再生制动方法如图4所示，在直接转矩控制（DTC ）中，首先观测定子磁链、控制定子磁链的幅值为恒定，然后选择零失量、非零失量来调节瞬时转差、控制输出转矩恒定，所以由磁链环节观测定子磁链的幅值及相位，并且选择失量控制链幅值大小；转矩控制环节（与磁链控制环节相结合）选择失量控制磁链的旋转速度。
如果其中的转矩反馈被定子磁链的相位反馈替代，而控制磁链幅值的环节依旧保留，图4可以转变为图5所示的一种新型的变频调速方法，此时该系统是通过控制定子磁链的幅值大小以及旋转速度来实现变频调速的，因为该结构实际上采用了DTC 控制方式，它保留了磁链控制环节，所以能够有效控制磁链的相位偏差，在这种情况下可以保证输出的电流谐波少，运行平稳，
而在该结构基础上实现的再生制动控制，就是使定子频率跟踪转子速度变化，保证式（4）中确定的负转差率范围，就可以实现系统在制动过程中不出现过流。另一方面，制动效果的强弱可以通过调节转差率和定子磁链幅值来实现。由于这种方法保留了DTC 的结构和特点，所以能够很好地与DTC 的交流驱动系统兼容
过电压的产生
所谓变频器的过电压，是指由于种种原因造成的变频器电压超过额定电压，集中表现在变频器直流母线的直流电压上。正常工作时，变频器直流部电压为三相全波整流后的平均值。若以380V 线电压计算，则平均直流电压Ud=1.35U线=513V。
在过电压发生时，直流母线上的储能电容将被充电，当电压上升至700V 左右时，（因机型而异）变频器过电压保护动作。造成过电压的原因主要有两种：电源过电压和再生过电压。电源过电压是指因电源电压过高而使直流母线电压超过额定值。而现在大部分变频器的输入电压最高可达460V ，因此，电源引起的过电压极为少见。
本文主要讨论的问题是再生过电压。产生再生过电压主要有以下原因：当大GD2（飞轮力矩）负载减速时变频器减速时间设定过短；电机受外力影响（风机、牵伸机）或位能负载（电梯、起重机）下放。由于这些原因，使电机实际转速高于变频器的指令转速，也就是说，电机转子转速超过了同步转速，这时电机的转差率为负，转子绕组切割旋转磁场的方向与电动机状态时相反，其产生的电磁转矩为阻碍旋转方向的制动转矩。所以电动机实际上处于发电状态，负载的动能被“再生”成为电能。
再生能量经逆变部续流二极管对变频器直流储能电容器充电，使直流母线电压上升，这就是再生过电压。因再生过电压的过程中产生的转矩与原转矩相反，为制动转矩，因此再生过电压的过程也就是再生制动的过程。换句话说，消除了再生能量，也就提高了制动转矩。如果再生能量不大，因变频器与电机本身具有20%的再生制动能力，这部分电能将被变频器及电机消耗掉。若这部分能量超过了变频器与电机的消耗能力，直流回路的电容将被过充电，变频器的过电压保护功能动作，使运行停止。为避免这种情况的发生，必须将这部分能量及时的处理掉，同时也提高了制动转矩，这就是再生制动的目的。
过电压的防止措施
由于过电压产生的原因不同，因而采取的对策也不相同。对于在停车过程中产生的过电压现象，
如果对停车时间或位置无特殊要求，那么可以采用延长变频器减速时间或自由停车的方法来解决。所谓自由停车即变频器将主开关器件断开，让电机自由滑行停止。
如果对停车时间或停车位置有一定的要求，那么可以采用直流制动（DC 制动）功能。直流制动功能是将电机减速到一定频率后，在电机定子绕组中通入直流电，形成一个静止的磁场。电机转子绕组切割这个磁场而产生一个制动转矩，使负载的动能变成电能以热量的形式消耗于电机转子回路中，因此这种制动又称作能耗制动。
在直流制动的过程中实际上包含了再生制动与能耗制动两个过程。这种制动方法效率仅为再生制动的30-60％，制动转矩较小。由于将能量消耗于
电机中会使电机过热，所以制动时间不宜过长。而且直流制动开始频率，制动时间及制动电压的大小均为人工设定，不能根据再生电压的高低自动调节，因而直流制动不能用于正常运行中产生的过电压，只能用于停车时的制动。
对于减速（从高速转为低速，但不停车）时因负载的GD2（飞轮转矩）过大而产生的过电压，可以采取适当延长减速时间的方法来解决。其实这种方法也是利用再生制动原理，延长减速时间只是控制负载的再生电压对变频器的充电速度，使变频器本身的20%的再生制动能力得到合理利用而已。至于那些由于外力的作用（包括位能下放）而使电机处于再生状态的负载，因其正常运行于制动状态，再生能量过高无法由变频器本身消耗掉，因此不可能采用直流制动或延长减速时间的方法。
再生制动与直流制动相比，具有较高的制动转矩，而且制动转矩的大小可以跟据负载所需的制动力矩（即再生能量的高低）由变频器的制动单元自动控制。因此再生制动最适用于在正常工作过程中为负载提供制动转矩。
四、结论
本文分析了笼型电机的再生制动状态、过流与负转差率之间的关系，提出了控制再生制动的方法，同时保证系统不出现过流，该方法结构简单，能够很好地融合到DTC 系统中。
序号：
编码：
燕山大学 里仁学院
第十届“共创杯”大学生课外学术科技作品竞赛
作品申报书
作品名称： 再生制动的控制与分析
学院名称： 燕山大学里仁学院 申报者姓名
（集体名称）：韩林松
类别：
□ 自然科学类学术论文
□ 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
□ 科技发明制作A 类
□科技发明制作B 类
共青团燕山大学里仁学院委员会
二O 一0年五月
申报者情况
申报作品情况（科技发明制作）
说明： 1．本表必须附有研究报告，并提供图表、曲线、试验数据、
原理结构图、外观图（照片），也可附鉴定证书和应用证书；
2．作品分类请按照作品发明点或创新点所在类别填报。
再生制动的控制与分析
关键词：再生制动；转矩控制；电动车
摘 要：为了延长电动车的一次充电续驶里程，分析了笼型电机的再生制动状态，提出一种再生制动方法，它既能保证不出现过流，又能够很好地与直接转矩控制系统相融合。
一、引言
为了降低电动车的使用成本，目前采用的驱动能源是铅酸蓄电池。但是铅酸蓄电池能量有限，所以电动车的一次充电续驶里程相对比较短，一般为150KM 左右。因此，在现有的情况下延长车辆的一次充电续驶里程是一项很有意义的工作。
车辆在路上经常起动、刹车，而刹车是以消耗动能为热能的方式将能量白白浪费。因为笼型电机能够实现四个象限运行，所以通过控制电机在第二象限运行来实现再生制动，将车辆的动能转化为电能反馈回的电源储存，这样就可以有效延长车辆的一次充电续驶里程。电动车直接采用蓄电池作为驱动电源，可将再生制动反馈回的能量直接给蓄电池充电。无需像一般的交流调速系统那样逆变回交流电网，控制结构相对简单。
本文分析了再生制动时各失量状态的关系、功率开关的状态以及转差率与制动之间的关系，最后给出了一种再生制动的实现方法。
二、再生制动的状态分析
1、失量分析
图1为电机电动状态时的各磁链失量关系图，其中气隙磁链为ψa，定子磁链为ψ1，转子磁链为ψ2，当电机处于电动状态时，ψ1带动ψ2 旋转，ψ1在空间位置上超前于ψ2，电机输出正转矩。
图1 磁链矢量关系
当转子旋转速度超出定子频率时，电机进入第二象限运转，此时转子切割ψa 的方向与电动状态相反，转子中的感应电流的方向与电动状态时的方向相反，使ψa的幅值增大，为了保持ψa幅值恒定，定子电流需要反向以减小ψa幅值，定子电流方向表现为由电机流向滇池，在空间位置上转子电流超前于定子电流，此时电机的输出表现为制动转矩，系统机械能经电机转化为电能馈送回电池。在整个分析过程中，气隙磁场是实现电能与机械能相互转化的纽带，因此在实现再生制动的过程中，为了保证气隙磁场的存在，需要外加一定励磁电流。
2、开关的状态分析
图2 逆变桥结构
如图2所示，以电机A 相电路为例，当A 相的反电势超过电池电压幅值的0,866倍时（设A 相电流为流出），VF4截止，VF5、VF6导通，A 相电流经由VD1、VD5、VD6 形成通路，此时逆变桥处于整流状态，反电势经由续流二极管整流向电池充电，当A 相的反电势低于电池电压幅值的0.866倍时，VF4导通，VF5 VF6截至，A 相电流经由VF4、VF2、VF3形成通路，此时蓄电池经逆变桥向电机供电，实现励磁；当反电势出现换向时，相应的功率开关器件也发生同样的变动，此时A 相电流为流进，当A 相的反电势低于电池电压幅值的0.886倍时，VF4截至，VF5、VF6导通，A 相电流经由VF1、VF5、VF6形成通路，蓄电池逆变桥向电机供电，实现励磁；当A 相的反电势高于电池电压幅值的0.886倍时，VF4导通，VF5、VF6 截至，A 相电流经由VD4 VD2 VD3形成通路，此时逆变桥处于整流状态，反电势经由续流二极管整流向电池充电、在宏观表现上看，再生制动过程表现为充电→励磁→充电→励磁的交替进行。从这一点上分析，控制再生制动的发生同样需要励磁电流，只是当励磁功率大于充电功率时，就可将再生制动终止。
3、制动与转差率
电机的L 形等效电路如图3 所示，电机内部消耗的有功功率：
制动时电机负载产生的电功率：
假设电机所带负载具有的机械能基本上被电机内部所消耗，边界情况为式
（1）与式（2）相等所以有：
由式（3）有：
当电机负转差率位于S1≥S≥S2范围时，系统的机械能经电机转化为电能向蓄电池回馈，同时电机不出现过流，也就是反馈的电能不能被电池吸收的部分，可以由电机本身承受消耗而不出现过流。当转差率变化超过该范围时，机械能经电机转化的电能无法有效回馈给电池，而剩余部分的能量在电机的线圈内阻中又无法完全消耗，因此容易出现过流。所以，从简化控制的角度出发，当控制转差率在S1≥S≥S2范围内变化时，再生制动过程就可以避免
出现过流。
三、控制再生制动的方法
由上分析可知，再生制动的控制实际上是根据电机中反电势的大小、方向控制相应桥臂的功率开关器件的通断，保证一定的励磁电流，但这稚方法具体到每相桥臂的每个开关的控制时就比较麻烦，但只要保证转子转速在超出定子旋转频率时，定子频率跟踪转子速度变化，保持一定的负转差率范围，就可实现在无过流方式下的再生制动。
根据该思路，本文提出的再生制动方法如图4所示，在直接转矩控制（DTC ）中，首先观测定子磁链、控制定子磁链的幅值为恒定，然后选择零失量、非零失量来调节瞬时转差、控制输出转矩恒定，所以由磁链环节观测定子磁链的幅值及相位，并且选择失量控制链幅值大小；转矩控制环节（与磁链控制环节相结合）选择失量控制磁链的旋转速度。
如果其中的转矩反馈被定子磁链的相位反馈替代，而控制磁链幅值的环节依旧保留，图4可以转变为图5所示的一种新型的变频调速方法，此时该系统是通过控制定子磁链的幅值大小以及旋转速度来实现变频调速的，因为该结构实际上采用了DTC 控制方式，它保留了磁链控制环节，所以能够有效控制磁链的相位偏差，在这种情况下可以保证输出的电流谐波少，运行平稳，
而在该结构基础上实现的再生制动控制，就是使定子频率跟踪转子速度变化，保证式（4）中确定的负转差率范围，就可以实现系统在制动过程中不出现过流。另一方面，制动效果的强弱可以通过调节转差率和定子磁链幅值来实现。由于这种方法保留了DTC 的结构和特点，所以能够很好地与DTC 的交流驱动系统兼容
过电压的产生
所谓变频器的过电压，是指由于种种原因造成的变频器电压超过额定电压，集中表现在变频器直流母线的直流电压上。正常工作时，变频器直流部电压为三相全波整流后的平均值。若以380V 线电压计算，则平均直流电压Ud=1.35U线=513V。
在过电压发生时，直流母线上的储能电容将被充电，当电压上升至700V 左右时，（因机型而异）变频器过电压保护动作。造成过电压的原因主要有两种：电源过电压和再生过电压。电源过电压是指因电源电压过高而使直流母线电压超过额定值。而现在大部分变频器的输入电压最高可达460V ，因此，电源引起的过电压极为少见。
本文主要讨论的问题是再生过电压。产生再生过电压主要有以下原因：当大GD2（飞轮力矩）负载减速时变频器减速时间设定过短；电机受外力影响（风机、牵伸机）或位能负载（电梯、起重机）下放。由于这些原因，使电机实际转速高于变频器的指令转速，也就是说，电机转子转速超过了同步转速，这时电机的转差率为负，转子绕组切割旋转磁场的方向与电动机状态时相反，其产生的电磁转矩为阻碍旋转方向的制动转矩。所以电动机实际上处于发电状态，负载的动能被“再生”成为电能。
再生能量经逆变部续流二极管对变频器直流储能电容器充电，使直流母线电压上升，这就是再生过电压。因再生过电压的过程中产生的转矩与原转矩相反，为制动转矩，因此再生过电压的过程也就是再生制动的过程。换句话说，消除了再生能量，也就提高了制动转矩。如果再生能量不大，因变频器与电机本身具有20%的再生制动能力，这部分电能将被变频器及电机消耗掉。若这部分能量超过了变频器与电机的消耗能力，直流回路的电容将被过充电，变频器的过电压保护功能动作，使运行停止。为避免这种情况的发生，必须将这部分能量及时的处理掉，同时也提高了制动转矩，这就是再生制动的目的。
过电压的防止措施
由于过电压产生的原因不同，因而采取的对策也不相同。对于在停车过程中产生的过电压现象，
如果对停车时间或位置无特殊要求，那么可以采用延长变频器减速时间或自由停车的方法来解决。所谓自由停车即变频器将主开关器件断开，让电机自由滑行停止。
如果对停车时间或停车位置有一定的要求，那么可以采用直流制动（DC 制动）功能。直流制动功能是将电机减速到一定频率后，在电机定子绕组中通入直流电，形成一个静止的磁场。电机转子绕组切割这个磁场而产生一个制动转矩，使负载的动能变成电能以热量的形式消耗于电机转子回路中，因此这种制动又称作能耗制动。
在直流制动的过程中实际上包含了再生制动与能耗制动两个过程。这种制动方法效率仅为再生制动的30-60％，制动转矩较小。由于将能量消耗于
电机中会使电机过热，所以制动时间不宜过长。而且直流制动开始频率，制动时间及制动电压的大小均为人工设定，不能根据再生电压的高低自动调节，因而直流制动不能用于正常运行中产生的过电压，只能用于停车时的制动。
对于减速（从高速转为低速，但不停车）时因负载的GD2（飞轮转矩）过大而产生的过电压，可以采取适当延长减速时间的方法来解决。其实这种方法也是利用再生制动原理，延长减速时间只是控制负载的再生电压对变频器的充电速度，使变频器本身的20%的再生制动能力得到合理利用而已。至于那些由于外力的作用（包括位能下放）而使电机处于再生状态的负载，因其正常运行于制动状态，再生能量过高无法由变频器本身消耗掉，因此不可能采用直流制动或延长减速时间的方法。
再生制动与直流制动相比，具有较高的制动转矩，而且制动转矩的大小可以跟据负载所需的制动力矩（即再生能量的高低）由变频器的制动单元自动控制。因此再生制动最适用于在正常工作过程中为负载提供制动转矩。
四、结论
本文分析了笼型电机的再生制动状态、过流与负转差率之间的关系，提出了控制再生制动的方法，同时保证系统不出现过流，该方法结构简单，能够很好地融合到DTC 系统中。