CN102480265A - 一种新型交流电机变频调速控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种新型交流电机变频调速控制系统，包括一台多相交流电机，多相交流电机定子绕组的m个首端和m个末端引出分别接多相变频器，多相变频器由直流电源、滤波电容、多相逆变器和变频控制器构成，多相交流电机和多相逆变器的相数m相等，m≥5。本发明的双端供电多相交流电机变频调速装置不仅可以使用单管容量有限的电力电子器件在较大的范围内实现大功率，而且由于在相单元和系统的层面上都具有冗余性，具有高的可靠性。

Description

一种新型交流电机变频调速控制系统

技术领域

 本发明涉及交流电机变频调速装置，尤其是相数大于3的多相交流电机变频调速装置。

背景技术

三相交流变频调速装置在中小功率电机已得到较广泛的应用，其基本结构如图1所示。图中1为交流电机（同步或异步）；三相交流电机1定子绕组的一端引出接三相逆变器2，三相逆变器2由三个桥臂构成；C为滤波电容；E为直流电源，一般通过整流获得。

在中小功率变频调速系统中，桥臂的结构如图2所示。图中的开关器件采用IGBT或IGCT等全控型电力电子器件。由于受目前全控型电力电子器件单管容量的限制，这种桥臂结构无法满足大功率变频调速的需要。因此目前商品化的大功率变频器多采用H桥级联多电平的方案。这种变频器的每一相由多个具有彼此独立直流电源供电的两相逆变器（由两个桥臂并联构成）串联构成。其优点是各单元采用常规电压，降低了对器件耐压的要求；其缺点是结构复杂，需要的电力电子器件和直流电容的数量多，由于需要许多独立电源，主电路连线和结构也比较复杂，大量隔离的直流电源使输入变压器结构非常复杂，需要多输出的结构复杂的移相变压器，控制电路复杂性增加。从而成本高、可靠性低。

除上述级联多电平的方案外，可以在一定范围内实现大功率的方案还有：

钳位多电平方案。这个方案的主电路结构仍如图1所示。但图1中各桥臂采用图3所示的二极管钳位结构或图4所示的电容钳位结构。图3和图4所示的是三电平结构。可以通过增加串联的级数得到更多电平如五电平或七电平等结构。这个方案通过成倍增加一个桥臂上全控开关器件的数目和加入二极管或电容等辅助器件，降低了对单个开关器件的耐压，并在输出端得到多个电平，输出电压的谐波分量较两电平方案小。但这个方案仍需要十分复杂的控制系统，增加大量的辅助器件（二极管，电容）不仅使系统结构复杂化，而且增大了系统的成本；此外直流电容容易出现不平衡，需要额外控制策略，并可能使开关次数增多，损耗增加。

三相双端供电方案。这个方案的结构如图5所示。将三相交流电机1定子绕组的两端都引出，在每一端分别用一个三相变频器3进行供电。当两个三相变频器采用两电平结构（即各桥臂采用图2所示结构）时，与上述的其它方案相比较，本方案所需的电力电子器件的数量最少，且供电效果与上述钳位三电平方案相同，控制也相对简单。此外，这个方案还有一个优点就是它在系统层面上的冗余性，也就是说，当两个变频器中的一个发生故障时，可将这个变频器切除并将其输出短路，整个系统仍可降载运行。但与钳位三电平方案一样，能够实现的功率范围有限。

多相变频调速方案。一个变频调速系统的容量可以表示为S=mVI。可见，除了可以通过提高每相电压V和增大每相电流I来实现大功率外，还可以通过增加电机和变频器输出的相数m来实现大功率。多相变频调速方案就是利用了这个原理。其结构如图6所示。图中1为多相电机，其相数m>5;m相电机的m个末端连接在一起构成中性点（也可以几个末端连接在一起构成多个中性点），m个首端引出，分别由多相逆变器5的一个桥臂进行供电。这个方案不仅所需的电力电子器件的数量最少，而且所需的电容数量也最少，因此本方案的成本低。采用这个方案，系统中一个或几个电力电子器件损坏，只要将系统中相应的相切除，适当降低负载水平，调速系统可以继续工作，也可以正常启动。因此其可靠性较三相调速系统高。这个方案的局限性一是由于制造工艺等原因，相数不可能很大（一般情况下采用的相数m<15），因此能实现的功率范围也有一定的限制；二是尽管本方案在电机和变频器输出的相数层面上有冗余，但在系统层面上却没有冗余，一旦直流电源E或逆变器的控制器故障，系统就无法继续运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以在更大范围内实现大功率变频调速，且具有较低的成本和更高的可靠性的双端供电多相交流电机变频调速装置。

本发明的双端供电多相交流电机变频调速装置，包括一台多相交流电机，多相交流电机定子绕组的m个首端和m个末端引出分别接多相变频器，多相变频器由直流电源、滤波电容、多相逆变器和变频控制器构成，多相交流电机和多相逆变器的相数m相等，m>5。

上述的多相逆变器的各桥臂可以是两电平结构，或多电平拓扑结构。两台多相变频器中的直流电源为同一整流电源、或是具有共同地电位的两个整流电源，或是完全独立的两个整流电源；两直流电源的电压相等或不等。

本发明的优点在于：

本发明所涉及的双端供电多相交流电机变频调速装置综合了多种大功率变频调速方案的优点，不仅可以使用单管容量有限的电力电子器件在较大的范围内实现大功率，而且由于在相单元和系统的层面上都具有冗余性，具有高的可靠性。当某相中的元件发生故障时，可以将这一相停止使用，其余各正常相继续工作。在适当降载后装置可正常启动和运行；当两台变频器中的一台发生故障，可将这台变频器切除，并将其输出短路，另一台变频器继续工作。在半载下装置可正常启动和运行。此外，本发明在使用尽量少的电力电子器件和电容的前提下实现大功率，同时所使用的电力电子器件和电容的耐压也是各种已有方案中最小的。因此本发明在变频调速装置的成本上具有较强的优势。最后，本发明可以利用多相系统所特有的多控制自由度和新的设计自由度，提高变频调速系统的性能如功率密度等。

附图说明

    图1为三相交流变频调速装置；

    图2为两电平结构的逆变器桥臂结构；

    图3为二极管钳位三电平逆变器桥臂结构；

    图4为电容钳位三电平逆变器桥臂结构；

    图5为双端供电三相交流电机变频调速装置示意图；

    图6为单端供电多相交流电机变频调速装置示意图；

    图7为本发明的双端供电多相交流电机变频调速装置示意图；

    图8为双端供电多相交流电机变频调速装置中直流电源的连接方案。

具体实施方案

参见图7，双端供电多相交流电机变频调速装置，包括一台多相交流电机l，多相交流电机1定子绕组的m个首端和m个末端引出分别接多相变频器2，多相变频器2由直流电源E、滤波电容C、多相逆变器5和变频控制器6构成，多相交流电机1和多相逆变器5的相数m相等，m>5。

多相变频器的直流电源E通过整流获得，两直流电源E1、E2的大小可以相同也可以不同，连接方案有图8所示的三种，即为同一整流电源（图a），或是具有共同地电位的两个整流电源（图b），或是完全独立的两个整流电源（图c）。两台多相变频器中开关器件和电容耐受的最大电压等于直流母线的电压，电机端部的最大线电压为两直流母线电压之和E1+E2。

多相逆变器5的各桥臂可以采用如图2-图4所示的两电平或多电平拓扑结构。

装置中的变频控制器6可以采用一个微处理器实现，也就是说采用一个控制器实现对两台多相变频器的控制。也可以采用两个微处理器构成两台独立的变频控制器，各控制一台多相变频器（如图7所示），以使装置在控制器层面也具有冗余性。

以微处理器（单片机、DSP或FPGA等）为核心的变频控制器6完成对直流母线电压检测和电机检测（如电机的电流、转速等），根据运行指令，产生多相逆变器中各开关器件的PWM驱动脉冲信号。PWM驱动脉冲信号的频率为数百Hz到数十kHz。将PWM驱动脉冲信号连接到上述开关器件的控制端。

两台多相变频器的电压控制信号具有相位差，这个相位差一般为半个周期。当采用两个独立的变频控制器时，其中一个作为主控制器，另一个作为从控制器，这个相位差可以根据两个变频控制器间的同步信号来实现。

在两个变频器的输出端可以采用机电开关（如接触器）或半导体开关器件构成短路机构。在一个变频器发生故障时，在将之切除之后可通过上述短路机构将其输出短路。这样另一个变频器可继续给多相电机供电，装置在降载的情况下可继续启动和运行。

Claims (1)

1.一种新型交流电机变频调速控制系统，其特征在于：包括一台多相交流电机，多相交流电机定子绕组的m个首端和m个末端引出，分别接多相变频器，多相变频器由直流电源、滤波电容、多相逆变器和变频控制器构成，多相电机和多相逆变器的相数m相等，m>5；其中：

（1）多相逆变器的各桥臂是两电平结构，或多电平拓扑结构；

（2）两台多相变频器中的直流电源为同一整流电源、或是具有共同地电位的两个整流电源，或是完全独立的两个整流电源；两直流电源的电压相等或不等。

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