电动机与发电机的区别

为了满足工作性能的要求，工程机械动力系统和能量回收系统中所使用的电动机特性与重型车辆相类似，具体可归纳为以下几点。

1）转矩密度高、功率密度高。与车辆不同，大多数工程机械对电机的单位体积的转矩密度和功率密度的要求较高，但对单位质量的转矩密度和功率密度的要求可以适当降低，主要是由于工程机械自身需要一个较大的配重，新能源装置增加的质量可以通过配重来抵消。

2）起动转矩高，高速运行时功率高。该特性对于油电混合动力装载机和纯电驱动工程机械特别重要。但对油电混合动力挖掘机更为看重的是，在发动机的正常转速范围内（1600～2000r/min）都可以维持一个较大的转矩，保证其削峰填谷的能力。

3）转速范围宽，恒功率调速区的最高速度是基速的2～3倍。对于电气式能量回收系统和纯电驱动系统来说，可以满足最大的流量要求或转速要求。

4）效率高。目前在新能源装备中所使用的电动机种类主要有异步电动机、永磁同步电动机，直流无刷电动机和开关磁阻电动机等。以上几种电动机的主要特性如表4-4所示。

表4-4 新能源电动机特性比较

（续）

由表4-4可以看出，直流无刷电动机存在转矩纹波大、噪声高、结构复杂和成本高等缺点，且不能通过弱磁控制实现高转速运行要求；开关磁阻电动机具有结构和控制相对简单，调速范围较宽的优点，但其转矩纹波和噪声较高；异步电动机具有成本较低，控制技术较为成熟等优点，但其效率、功率密度较低；永磁同步电动机具有结构简单、功率密度高、转矩纹波小，调速范围宽的特点，且是目前各种类型电动机中效率最高的。目前，在新能源工程机械/车辆中使用比较普遍的电动机种类为异步电机和永磁同步电动机。永磁同步电机因具有诸多优势，其市场占有量正在不断提高。

1.异步电动机

异步电动机的旋转磁场转速为

式中 n₁——定子磁场转速；

f——电动机供电三相电频率；

p——电动机极对数。

当异步电动机接入三相交流电，定子绕组产生一个旋转磁场。定子磁场切割转子绕组，在转子绕组中产生感应电动势和感应电流，转子绕组产生电磁力使转子与定子磁场同方向旋转。由于异步电动机依靠定子磁场与转子的转速差产生转子感应电动势，因此转子转速总是略小于定子旋转磁场，定子与转子的转差率为

式中 s——转差率；

n——转子转速；

由式（4-1）及（4-2）可以得到转子转速的表达式

可以看出改变异步电动机转速的方式有三种：

1）改变电动机供电三相电频率，即为变频调速；

2）改变定子极对数；

3）改变转差率。

其中，改变极对数的调速方式属于有极调速，而改变转差率的调速方法多要通过耗能来实现。近年来随着电力电子技术的发展，变频调速的应用越来越广泛，变频调速已成为交流调速的主要方式。

PWM脉宽调速技术在变频调速中已经得到广泛的应用。PWM控制技术是通过合理的算法实现对功率器件（比如IGPT）的开通与关断，最终实现对电压脉冲宽度和脉冲周期的控制达到变压变频的目的。PWM是基于面积等效原理的一种控制算法：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同；冲量即窄脉冲的面积，所说的效果基本相同是指惯性环节的输出波形基本相同。由图4-5和图4-6可以看出，形状不同而冲量相同的脉冲作用在惯性环节上在上升阶段略有不同，但在下降阶段几乎完全相同，越小的脉冲之间产生的差异也越小。根据这个原理可知，只需使PWM输出脉冲的面积与正弦波的面积相等就可以得到与正弦波相同的效果。同时通过控制开关器件的开关频率便可实现输出电压的频率，从而实现对电动机速度的控制。

图4-5 冲量相等的脉冲

图4-6 冲量相同的脉冲惯性响应

异步电动机可以有如下不同的运行状态。

1）当转子转速小于同步转速时（即n＜n₁），转差率。异步电动机以电动机的方式运行，处于电动运行状态，此时异步电动机将电能转换为机械能。

2）当异步电动机由原动机（电气式能量回收单元中的液压马达、油电混合动力系统中的发动机）驱动时，转子转速超过同步转速时（即n＜n₁＞n₁，s＜0），此时旋转磁场也切割转子导体，只是其相对关系与电动机工作状态相反。此时的电磁力矩是制动性质的，原动机必须克服这个制动力矩才能使转子旋转。在这个过程中，异步电动机将处于发电运行状态，将原动机供给的机械能转化为电能。

图4-7 电容接线图

三相异步电动机独立运行时必须再并联上电容提供无功功率，否则剩磁将很难建立，电容接线图如图4-7所示。当异步电动机作为发电机时，要满足起动和发电两种状态。因此电动系统要满足以下几个要求：①蓄电池或起动电源需要提供建立定子初始磁场的初始电压；②起动电流不能过大，否则会对电机及变换器造成冲击；③适当选择励磁电容的容量，励磁电容的容量影响起动功率。当原动机进入正常运转时，应通过变换器关断蓄电动池对电动机的供电。

三相异步电动机控制系统如图4-8所示，六个IGBT的控制信号主要根据目标转速和一定的算法给出。电动机的发电和电动模式的切换主要依据电动机的实际转速和同步转速的关系。比如当检测到电动机的转速为1600r/min，如果希望电动机处于发电模式就必须给电动机控制器一个小于1600r/min的目标转速对应的信号，但同步转速和实际转速的差值必须考虑需要发电模式的发电转矩的大小。理论上，同步转速越低，发电机的发电转矩也越大，发电功率也越大。用户需要注意的是，并不是所有的变频器都可以再生发电。

图4-8 三相异步电动机控制系统原理图

异步电动机发电时的整个建压过程主要有如下三个阶段。(www.xing528.com)

1）在蓄电池的作用下，进入发电状态。由于直接借助剩磁进行发电所产生的电能相当微小，因此需要借助蓄电池来进行自励建压。自励开始时，通过合适的算法控制IGBT等器件给定子一个相对较小的电压，定子回路形成初始电流，建立磁通。

2）直流母线电压增长阶段。蓄电池给定子建立的初始电动势E₁，初始磁场为Φ₀，原动机拖动转子旋转，产生的旋转磁场切割定子线圈产生感应电流I₁。当电流I₁流经定子绕组时会产生对应磁通Φ₁，Φ₁正比于电流I₁，而I₁相位滞后于电压90°。新产生的磁通Φ₁与Φ₀相位相同，Φ₁且相互叠加，使总磁场变强，当磁场达到恒定值时，电动机通过六个续流二极管给直流母线上的蓄电池充电。电压、电流以及磁通的向量关系如图4-9所示。

3）稳定发电阶段。当电压达到给定值时，可通过采用恒磁控制和弱磁控制等适当的控制算法调节电压调节器，使输出电压保持稳定。当直流母线的电压高于蓄电池电压时，续流二极管阻断。此时工作在稳定发电模式。

图4-9 向量关系

2.永磁同步电动机/发电机

永磁同步电动机作为一种典型的电动机，因具有结构简单、功率密度高、噪声小以及效率高等优点，已经广泛应用于各个工业领域。永磁同步电机的工作机制与传统电励磁同步电机类似，所不同的是永磁同步电机建立机电能量转换所必需的磁场是通过永磁体来产生的。因此，相较于传统电励磁同步电动机，永磁同步电动机不需要励磁绕组和励磁电源，转子部分取消了集电环和电刷装置，成为无刷电机，结构更为简单，运行更为可靠，效率更高。

永磁同步电动机根据机电能转换方向的不同可分为永磁同步电动机和永磁同步发电机，而两者在结构上是可逆的，即理论上永磁同步电动机既可作为电动机又可作为发电机使用。但是，由于永磁同步电动机和永磁同步发电机工作模式不同，因此，针对其参数结构的设计侧重点将略有不同，控制的方式也需要根据实际情况进行控制。

（1）永磁同步电动机的工作原理

在永磁同步电动机的绕组中通入交变电流，其绕组将产生一个旋转的电磁场，该电磁场的转向和速度取决于绕组中各相电流的相位角和交变电流的交变频率。根据法拉第电磁感应定律，旋转的电磁场将带动永磁体所产生的磁场旋转并使二者重合，因此，通过在永磁同步电动机的绕组中通入交变电流将在安装永磁体的转子上产生一个使二者磁场重合的，方向与电磁场旋转方向相同的转矩，带动永磁同步电动机转子旋转，进而拖动负载。永磁同步电动机的转子旋转方向和转速取决于绕组中各相电流的相位角和交变电流的交变频率，永磁同步电动机的转矩取决于负载。

（2）永磁同步发电机的工作原理

永磁同步发电机发电需有原动机拖动实现。工作过程中，原动机拖动永磁同步发电机的转子旋转，而永磁同步发电机转子上安装有永磁体。由于永磁体所产生的磁场在原动机的拖动下旋转，将与永磁同步发电机的绕组发生相对的剪切运动。根据法拉第电磁感应定律，绕组中的导线与永磁体的磁场发生相对剪切运动将在导线将上产生感应电动势，当永磁同步发电机的绕组闭合且与外部相关电机控制器相连时将形成闭合回路，进而产生电流发电向外部设备提供电能，同时由于电流的产生，将在永磁同步发电机的转子上产生一个阻碍转子旋转的转矩。原动机的转速决定了永磁同步发电机的交变电流频率，所产生的转矩决定永磁同步发电机的相电流。

目前，永磁同步电动机不论是作为电动机是还发电机都在工业中均得到了广泛的认可和应用，并逐步替代异步电动机，具有相当广阔的市场前景。而永磁同步电机同时运行于电动和发电两种工作模式的工业场合还相对较少，其中，一个比较典型的应用背景便是新能源工程机械/车辆。

新能源工程机械/车辆中的油电混合动力系统采用的是传统发动机结合电动机，通过电动机稳定发动机的工作点，或通过电动机协同发动机驱动负载并对制动过程中的动能进行再生回收以提高机械运行过程中的燃油经济性，并降低尾气排放。在采用油电混合动力作为驱动系统的新能源系统中所使用的电动机需同时工作于发电和电动两种模式，油电混合动力系统中电动机作为辅助动力源协同发动机驱动负载。为稳定发动机的工作点，辅助电动机需对负载进行“削峰填谷”。当负载转矩较大时，辅助电动机工作于电动模式协同发动机驱动负载；当负载较小时，辅助电动机工作于发电模式作为发动机的另一负载将发动机多余的能量进行回收。

混合动力系统中，电动机多为转矩型控制，即采用转矩控制协同发动机驱动负载。电动机基本控制方法为矢量控制。图4-10为三相永磁同步电动机矢量控制系统结构图，该系统主要包括储能装置（电池或（和）超级电容）、滤波电容、六路IGBT控制管、永磁同步电动机本体以及发动机和负载。系统转速由发动机决定，当永磁同步电动机电动时，通过给电动机正值转矩，储能装置中的电能通过六路IGBT管流入永磁同步电动机中，所产生的转矩取决于相电流，而相电流通过六路IGBT进行控制；当永磁同步电动机发电时，通过给电动机负值转矩，由发动机同时拖动负载和永磁同步电动机对电动机进行发电，所产生的电流通过六路IGBT流入储能装置。

图4-10 三相永磁同步电机矢量控制系统结构图

永磁同步电动机在运行过程中，由于供电电压和转速的不同，电机的可控制转矩将随着供电电压和转速发生变化。以表贴式永磁同步电动机为例进行分析，电动机的数学模型在d-q坐标系中可表示为

式中 v_d——定子直轴电压分量；

v_q——定子交轴电压分量；

ω——电动机机械转速；

i_d——定子直轴电流分量；

i_q——定子交轴电流分量；

L——电动机电感；

ϕ——电动机磁链；

R_s——定子绕组电阻值；

p——电动机转子极对数。

电动机电磁转矩可表示为

T_g=3pϕi_q/2 （4-5）

为了能够有效控制电动机，电动机的电压、电流需满足以下关系式

式中 I_pmax（＞0）——最大允许相电流幅值；

V_pmax（＞0）——最大允许相电压幅值。

其中相电压和直流供电电压（V_dc）满足：

将电动机的稳态数学模型代入式（4-6）中，可获得有效运行过程中电动机电流、转速和负载供电电压的一个不等式

图4-11 电压约束和电流约束

通过不等式（4-8）可发现，电动机在控制过程中，其可控制的区间受到最大电流和供电电压的约束，并将随着供电电压和转速进行变化。图4-11所示为电动机工作过程中电动机受到的电压和电流约束。电动机的可控区域为电流约束和电压约束的交集。通过分析式（4-8），可得到随着电动机电压的减小或（和）电动机转速的增加，电压约束圆心将向左侧移动，且半径将逐渐减小。