CN102868359A - 一种交流电机驱动器及传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交流电机驱动器及传动装置，该传动装置包括交流电机和交流电机驱动器，其中，所述交流电机驱动器包括控制器和M个三相变频器；交流电机定子具有M组相互绝缘的三相绕组，各组三相定子绕组的接线端分别按照三相交流电机的出线方式引出至机壳外部；所述M个三相变频器分别输出对称的三相交流电压，并分别连接交流电机的一组三相定子绕组的接线端；控制器与所有M个三相变频器连接，提供控制信号并接收运行信息。采用本发明，能够用多个输出功率较小的三相变频器驱动一个大功率交流电机，与传统的高压变频器驱动高压大功率交流电机的传动方式相比，能够降低电机驱动器和电机的制造成本，并提高其运行的可靠性。

Description

一种交流电机驱动器及传动装置

技术领域

本发明涉及电气传动技术，尤其涉及一种交流电机驱动器及传动装置，进一步包括使用该驱动器和传动装置的交流电机。其中该交流电机的定子具有多组三相绕组，该交流电机驱动器包括控制器和多个三相变频器。 

背景技术

由于具有显著的节能效果和优异的调速性能，变频器已经越来越多地应用于交流电机的调速驱动。在大容量电机的调速场合，普遍采用“高压变频器+高压交流电机”的高电压组合驱动模式。国内的高压电机普遍采用6千伏和10千伏的电压等级，受固态电力电子开关的耐压及成本限制，高压变频器往往采用单元串联多重化脉冲宽度调制（PWM）的方式实现。 

图1A为一个高压交流电机及单元串联多重化PWM高压变频器驱动系统的电路示意图，其中包括高压变频器1（含变压器11、控制器13和6个功率单元12A～12F）和高压交流电机2。图1B为图1A中功率单元（如12A）的电路结构示意图。在图1A中，高压交流电机2的三相定子绕组（如U相）分别由三个绕组串联而成（如21u1、21u2、21u3），三相绕组采用“Y”型连接，三个绕组接线端U、V、W作为高压交流电机2的接线端，分别连接高压变频器1的三个输出端；高压变频器1通过移相变压器11将高压电网3的三相电压变换为六路彼此电气隔离的三相低压交流电（如a1/b1/c1），再分别由功率单元（如12A）将各路三相低压交流电变换成同样路数的单相低压交流电，这些单相低压交流电又被分成对称的三组，各组的两路单相交流电依次串联可以获得单相高压交流电压输出，三路高压交流电压输出的一端连接在一起（O点），另外一端分别作为高压变频器1的三个输出端驱动高压电机2。借助控制器13的PWM分配策略，即可在三个输出端U、V、W之间获得三相对称的多电平高压交流电压。 

在上述“高压变频器+高压交流电机”组合的驱动系统中，如果各功率单元（如12A）输出电压为交流866V，则高压变频器可以输出3000V线电压，驱动3000V的交流电机。首先，交流电机的定子绕组必须承受很高的电压（3000V），对交流电机的定子绕组之间（如21u1与21v1）绝缘要求很高，各定子绕组的绝缘等级相应提高，增加了高压交流电机2的制造成本；其次，高压变频器1采用高压输出（3000V），对变频器1内部的绝缘强度要求很高，功率单元之间（如12A与12B）的摆放间距较大，导致高压变频器的体积庞大；第三，功率单元数量较多（6个），功率器件的数量多（整流管36个，IGBT管24个），高压变频器成本升高；还有，各功率单元（如12A）均为单相输出，要求直流滤波电路122中电解电容1221容量很大，造成成本很高，且限制了高压变频器的工作寿命。 

为描述方便，图1A中只给出了每相2个功率单元串联的情形，对于10千伏和6千伏的高压应用，上述缺陷则会更加突出。 

类似还有一些新兴应用场合如电动汽车，为满足驱动功率的要求，目前多采用“高压蓄电池组（如288V）+高压驱动器+高压电机（如360V）”型驱动系统。 

图2为一种上述的电动汽车驱动系统的原理示意图，如图2所示，包括蓄电池组4、交流电机驱动器1（含直流-直流变换电路125、直流滤波电路122、三相逆变电路123和控制器13）、交流电机2。首先，直流-直流变换电路125将蓄电池组波动的直流电压（如240V～360V）转换成稳定的直流电压（如500V），再由逆变电路123转换成三相交流电压（如360V），驱动交流电机2；上述直流-直流变换和逆变变换都是在控制器13的控制下完成的。 

如果蓄电池组的标称电压为288V，选用磷酸铁锂蓄电池，每节蓄电池的额定电压为3.2伏，则需要90节蓄电池串联，各节蓄电池的动态均衡十分困难，使电池组的容量难以有效发挥，而且限制了电池组的工作寿命，增大了电动汽车的使用成本；其中的交流电机2仅由一个电机驱动器1驱动，一旦电机驱动器1发生故障，往往会导致电动汽车中途停驶；尤为重要地是，较高电压的存在，提高了对车体的电气绝缘要求，还会降低电动汽车的电气安全性能。 

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种交流电机驱动器及传动装置，能够用多个输出功率较小的三相变频器驱动一个大功率交流电机，从而取代现有的“高压变频器+高压交流电机”驱动系统，以降低电机和变频器的成本，减少变频器的体积，提高系统寿命并且增强其运行的可靠性。 

本发明的另一个目的在于将本发明的交流电机驱动器及传动装置应用于电动汽车，可以显著提高电动汽车的电气安全性能及运行的可靠性，并且能够有效降低使用成本。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 

一种交流电机驱动器，其特征在于，包括M个三相变频器和控制器13；所述的M个三相变频器的输入端分别连接电源；所述M个三相变频器分别输出对称的三相交流电压，或分别输出对称的三相脉冲宽度调制PWM电压；所述控制器13分别与所述的M个三相变频器连接，为各三相变频器提供控制信号，并接收各三相变频器的运行信息；其中：M为大于1的自然数。

其中：所述的M个三相变频器分别包括整流电路121、直流滤波电路122、逆变电路123和控制电路124；所述整流电路121、直流滤波电路122、逆变电路123依次相连；所述控制电路124与所述逆变电路123相连，或所述控制电路124分别与所述整流电路121、逆变电路123相连；所述控制电路124进一步与所述控制器13相连；所述的各整流电路121的输入分别作为所在的三相变频器的输入，分别连接电压波形、幅度、频率相同的交流电源；所述的各逆变电路123的输出分别作为所在的三相变频器的输出。 

所述M个整流电路121的输入分别为三相交流电压，并且相位依次相差60/M度。 

所述的M个三相变频器分别包括直流-直流变换电路125、直流滤波电路122、逆变电路123和控制电路124；其中：所述直流-直流变换电路125、直流滤波电路122、逆变电路123依次相连；所述控制电路124分别与所述直流-直流变换电路125、逆变电路123相连；所述控制电路124进一步与所述控制器13相连；所述的各直流-直流变换电路125的输入分别作为所在的三相变频器的输入，分别连接电压相等的直流电源；所述的各逆变电路123的输出分别作为所在的三相变频器的输出。 

所述M个直流-直流变换电路125的输入连接共同的直流电源。 

所述逆变电路123的输出电压为三相PWM波；三相PWM波中各相的载波相同；三相PWM波中不同相的基准波波形、幅度、频率相同，相位依次相差120度。 

所述M个三相变频器中逆变电路123的直流输入电压均相等；所述M个逆变电路123的输出三相PWM波之间对应相的基准波波形、幅度、频率均相同，载波波形、幅度、频率相同，相位依次相差360/M度。 

所述M个逆变电路123的输出三相PWM波之间对应相的基准波的相位也相同。 

所述交流电机驱动器中M个三相变频器均具有能量回馈功能。 

一种交流电机传动装置，包括交流电机2，还包括权利要求1所述的电机驱动器1；其中： 

所述交流电机2包括机壳23、转子22和具有M组相互绝缘的三相绕组的定子21；所述的交流电机定子21的M组三相绕组的接线端分别按照三相交流电机的出线方式引出到机壳23外部；所述的电机驱动器中的M个三相变频器的输出端分别连接所述的交流电机的一组三相定子绕组的接线端。

其中：所述交流电机定子21的M组三相绕组的所有3M个绕组匝数相同；所述的电机驱动器1中的M个三相变频器结构相同；所有M个三相变频器对应相交流输出电压的频率、幅值相同，或交流输出PWM电压的基准波频率、幅值相同。 

所有M个三相变频器对应相交流输出电压的相位也相同，或交流输出PWM电压的基准波的相位也相同。 

本发明所提供的交流电机驱动器及传动装置，与传统的“高压变频器+高压电机”的驱动模式相比，具有以下优点： 

1）采用了多绕组交流电机，由多个三相变频器共同驱动，与传统的高压电机相比，降低了对电机定子绕组的绝缘要求，降低了电机的制造成本；

2）各个三相变频器输出之间不再存在高电压，与传统的高压变频器中的功率单元相比，交流电机驱动器的内部绝缘要求显著降低，结构更加紧凑，并且功率器件的数量更少，从而降低了交流电机驱动器对应高压变频器）的成本；

3）各个三相变频器都输出三相电压，与传统的高压变频器中的功率单元相比，三相变频器内部直流滤波电容的容量显著降低，可以采用长寿命电容，使得交流电机驱动器的工作寿命显著延长；

4）当某个三相变频器出现故障时，很容易将其从交流电机驱动器中断开，而其它的三相变频器仍然能够驱动交流电机降额运行，交流电机驱动器的工作可靠性显著提高。

将本发明所提供的交流电机驱动器及传动装置应用于电动汽车，与现行的“高压电池组+高压驱动器+高压电机”的驱动模式相比，具有以下优点： 

1）电机采用了多绕组交流电机，降低了交流电机的电压等级；

2）采用多个三相变频器共同驱动交流电机，当一个三相变频器发生故障时，将其断开后交流电机仍然可以运转，电动汽车不致中途抛锚；

3）对电池组的电压等级要求显著降低，可以采用低压电池组，不但能够提高电池组的利用率，增强汽车的续航能力，而且能够延长电池组的工作寿命，降低电动汽车的使用成本；

4）更重要的是，电动汽车中不再存在高达数百伏的高电压，汽车的电气安全性能得以从根本上提高。

本发明的交流电机驱动器及传动装置的不足之处在于：交流电机的外部引线多，电机制造工艺相对复杂；电机驱动器与交流电机之间的电缆也较多。但与上述优点相比，得失轻重，显而易见。 

附图说明

图1A为一种现有的高压电机驱动系统的原理示意图； 

图1B为图1A中高压变频器功率单元的原理示意图；

图2为一种现有的电动汽车驱动系统的原理示意图；

图3A为本发明一种M=3的交流电机传动装置的原理示意图；

图3B为图3A对应的一种三相变频器的原理示意图；

图3C为图3B中的逆变电路内部的PWM关系图

图3D为图3A中各三相变频器逆变电路之间的PWM关系图

图3E为图3A对应的另一种三相变频器的原理示意图；

图3F为图3A对应的又一种三相变频器的原理示意图；

图4A为本发明另一种M=3的交流电机传动装置的原理示意图；

图4B为图4A对应的一种三相变频器的原理示意图；

图4C为图4A中各三相变频器直流-直流变换电路内部的PWM关系图；

图4D为图4A对应的另一种三相变频器的原理示意图。

【主要部件符号说明】 

1：交流电机驱动器（或高压变频器）

11：变压器

111：三相初级绕组

112A-112F：三相次级绕组

12A-12F：三相变频器（或高压变频器功率单元）

121：整流电路

      1211-1216：整流二极管（或绝缘栅型双极三极管，即IGBT）

122：直流滤波电路

      1221：直流滤波电容

123：逆变电路

      1231-1236：逆变IGBT（或金属化绝缘栅型场效应管，即MOSFET）

124：控制电路

125：直流-直流变换电路

      1251：MOSFET

      1252：电抗器

      1253：二极管（或MOSFET）

126：交流电抗器

13：控制器

2：交流电机

21：电机定子

21u1-21u3、21v1-21v3、21w1-21w3：电机定子绕组

22：电机转子

23：电机机壳

3：高压电网

4：蓄电池组。

具体实施方式

下面结合附图及本发明的实施例对本发明的交流电机驱动器及传动装置作进一步说明。 

图3A为本发明实施例一种M=3时的交流电机传动装置的原理示意图，该传动装置包括交流电机驱动器1和交流电机2。其中交流电机2，包括定子21、机壳23和转子22，所述定子21具有3组三相绕组21u1-21v1-21w1、21u2-21v2-21w2、21u3-21v3-21w3，所述的3组三相绕组之间彼此电气隔离；该交流电机2的交流电机驱动器1（可简称“电机驱动器”或“驱动器”），包括变压器11、3个三相变频器12A、12B、12C（可简称“变频器”）和控制器13。 

在图3A中，该交流电机2的3组三相定子绕组可采用“Y”型连接，分别有3个绕组接线端（如21u1-21v1-21w1的u1、v1、w1）引出到机壳23的外部。当然，各组三相定子绕组也可以采用三相电机的其它绕组接线方式，如“△”型连接甚至是曲折“Y”型连接或者延边“△”型连接，也可以将各组三相绕组的六个接线端全部引出到机壳外部，这些都属于三相交流电机的出线方式范畴。 

电机驱动器1的3个变频器12A、12B、12C的输入端分别连接变压器11的三相副边绕组112A、112B、112C；上述3个变频器分别输出三相对称的交流电压，或者分别输出三相对称的三相脉宽调制（PWM）电压，并分别连接交流电机2的各组三相定子绕组的接线端u1/v1/w1、u2/v2/w2和u3/v3/w3，在交流电机2中产生定子旋转磁场，共同驱动交流电机的转子22。 

电机驱动器1的控制器13分别与3个变频器12A、12B、12C连接，为3个变频器提供控制信号，使各三相变频器（如12A）分别输出三相对称的交流电压，驱动所连接的定子绕组（如u1/v1/w1）；同时还接收各三相变频器（如12A）返回的运行信息（如故障信息等），并进行集中处理。对于普通的应用场合，控制器13与各三相变频器（如12A）之间通过电缆连接，但对于大功率或电磁环境差的应用，上述连接还可以通过光纤连接实现。 

图3B、图3E、图3F分别给出了一种图3A的电机驱动器中的三相变频器（如12A）的原理示意图。如图3B所示的三相变频器包括整流电路121、直流滤波电路122、逆变电路123和控制电路124。图3E所示的三相变频器也包括上述组成部分，与图3B的区别在于图3E的逆变电路123为三电平三相逆变电路（图3B中为两电平三相逆变电路）。图3F所示的三相变频器与图3B相比，区别在于整流电路121中用全控整流电路代替了图3B中的不控整流电路，并且在三相变频器的输入端增加了交流电抗器126。在图3B、图3E和图3F中，整流电路121的直流输出p、n分别连接所在的三相变频器（如12A）中的逆变电路123的输入端和直流滤波电路122。在图3B和图3E中，控制电路124与逆变电路123连接，而在图3F中，控制电路124还与整流电路121相连。在图3B、图3E、图3F中，控制电路124与交流电机驱动器1的控制器13连接，作为该三相变频器（如12A）与控制器13的接口。各三相变频器（如12A）中的整流电路121的输入作为其所在的三相变频器（如12A）的输入，分别以变压器11的一组副边绕组（如112A）作为输入电源；变压器11的各组副边绕组112A、112B、112C的输出电压的波形、幅度和频率都相同。各三相变频器（如12A）中的逆变电路123的输出即为对应的三相变频器（如112A）的输出。 

在图3A中，三相变频器12A、12B、12C的输入电压分别为变压器11的次级绕组112A、112B、112C的输出电压，均为三相交流电压并且其相位依次相差20°（M=3，20°=60°/3），即112B比112A滞后20°、112C比112B 滞后20°。通过这种方法，可以使三相交流驱动器12A、12B、12C的输入电流在变压器11的初级绕组111影射的电流的部分谐波分量相互抵消，从而改善变压器11的输入电流谐波特性，降低交流电机驱动器对电网的谐波污染。 

本发明的交流电机传动装置也可以由直流电源进行驱动，以应用于电动汽车等场合。图4A提供了本发明另外一个M=3的实施例的交流电机传动装置原理示意图，图4B则是其中的一种三相变频器示意图。 

与图3A类似，图4A中的交流电机传动装置包括交流电机驱动器1和交流电机2，其中交流电机驱动器1包括控制器13和3个三相变频器12A、12B、12C。 

在图4B中，各三相变频器（如12A）中均包括直流-直流变换电路125、直流滤波电路122、逆变电路123和控制电路124。直流-直流电路125的输出p、n通过直流滤波电路122与逆变电路123的输入连接。控制电路124分别与直流-直流变换电路125和逆变电路123相连接，并且连接交流电机驱动器1的控制器13，作为所在的三相变频器（如12A）与控制器13的控制接口。各直流-直流变换电路125的输入分别作为所在的三相变频器12A、12B、12C的输入，并且输入电压相等。各逆变电路123的输出分别作为所在的三相变频器（如12A）的输出。 

上述的各三相变频器中的直流-直流电路125的输入还可以共同连接到蓄电池组4的正（+）、负（-）两端，如图4A所示。这时，在控制器13的集中控制下，各直流-直流变换电路125可以采取3（M=3）级错相PWM调制，以使各三相变频器12A、12B、12C从蓄电池组4吸取的纹波电流部分相互抵消，从而使总电流更加平稳，以改善蓄电池组4的放电特性。 

图4C为图4B中各直流-直流变换电路125的3级错相PWM关系图，其中PWM1、PWM2、PWM3分别是三相变频器12A、12B、12C中的直流-直流变换电路125的功率开关1251的PWM驱动波形，3个PWM波形的基准波都是Vref，载波分别为Vc1、Vc2、Vc3，其中Vc1、Vc2、Vc3的波形、频率、幅度相同，相位依次相差1/3个载波周期（对应相位120°，Vc1比Vc2超前120°，Vc2比Vc3超前120°，Vc3又反过来比Vc1超前120°），从而实现错相PWM调制。 

在图3B、图3E、图3F、图4B中的三相变频器都包括逆变电路123，其输出也可以是对称的三相PWM电压。以图3B为例，所有3个三相变频器中的逆变电路123的输出电压都是三相脉冲宽度（PWM）波；在每个三相变频器内部，逆变电路123的输出三相PWM波的载波（如三角波）都是相同的；该三相PWM波中不同相的PWM波基准波的波形（如正弦波）、幅度、频率相同，但相位依次相差120°。这样，各三相变频器（如12A）就可以输出对称的三相交流PWM电压。 

图3C描述了图3B中逆变电路123内部的各相之间PWM关系，其中Aref、Bref、Cref分别是逆变电路123中自左至右3个桥臂（分别包括1231/1232、1233/1234、1235/1236）的PWM基准波形，Vc为对应的载波波形，PWMA、PWMB、PWMC分别表示1231、1233、1235的控制信号（反向分别为1232、1234、1236的控制信号，未计导通死区）。从图3C容易看出，各三相变频器（如12A）的三个桥臂共用一个PWM载波信号Vc，而PWM基准波信号Aref、Bref、Cref的波形、频率、幅值相同但相位依次相差120°（其中Aref超前Bref 120°，Bref超前Cref 120°，Cref又反过来超前Aref 120°）。 

如上所述，在图3A的交流电机驱动器1中，3个三相变频器12A、12B、12C的输出都是对称的三相PWM电压。图3A中各三相变频器12A、12B、12C的逆变电路123的输入端p、n之间分别为直流电源，为了实现方便，通常使3个直流电源的电压相等。12A、12B、12C的对应相（如左桥臂1231/1232）输出PWM波的基准波的波形（如正弦波）、幅度、频率均相同，相位可以依次相差合适的角度，以使各三相变频器驱动电机时在电机内部产生相位相同的旋转磁场；上述PWM波的载波波形、幅度、频率相同但相位依次相差120°（M=3，120°=360°/3）。 

特别地，出于容易实现的考虑，也可以使上述12A、12B、12C的对应相（如左桥臂1231/1232）输出PWM波的基准波的波形（如正弦波）、幅度、频率和相位均相同，从而使各三相变频器驱动电机时在电机内部产生转速相同但存在相位差的旋转磁场；上述磁场空间相互叠加，共同驱动电机旋转。 

图3D给出了三相变频器12A、12B、12C中的逆变电路123的对应管（如1231）的PWM控制信号之间的关系图， PWMA1、PWMA2、PWMA3分别是12A、12B、12C中的1231管的PWM控制信号，其基准波都是Aref，但载波分别是Vc1、Vc2和Vc3，Vc1、Vc2、Vc3的相位依次相差1/3个三角波载波周期（对应120°，Vc1比Vc2超前120°，Vc2比 Vc3超前120°，Vc3又反过来比Vc1超前120°）。通过各三相变频器的上述错相调制，可以使交流电机2的3组三相定子绕组u1-v1-w1、u2-v2-w2、u3-v3-w3产生的定子磁场中的载波分量部分相互抵消，从而降低交流电机的运行噪音。 

上述关于图3D、图3E的描述都是针对图3B、图3F中的两电平三相逆变电路123 进行的。对于其它形式的三相逆变器，如三电平逆变器，上述特征依然成立，对应的有关描述不难得出，为此图3E只给出了一种逆变电路123为三电平三相逆变电路的三相变频器的原理示意图。 

出于节能和操控的需要，经常要求将交流电机的制动能量回馈到电网或输入电源，本发明提供的交流电机传动装置也可以实现交流电机的能量回馈。为此，图3F提供了图3A所示的交流电机驱动器1中的一种能量回馈型三相变频器（如12A）的原理示意图，图4D则提供了图4A所示的交流电机驱动器1中的一种能量回馈型三相变频器（如12A）的原理示意图。 

将图3F与图3B对照，不同之处在于： 

1）各三相变频器（如12A）的输入侧分别增加了交流电抗器126；

2）各三相变频器（如12A）的整流电路121中由可控开关（如IGBT）代替了不控开关（二极管）；

3）除逆变电路123外，控制电路124还与整流电路121连接。

另外，由于各三相变频器的整流电路121采用了全控整流方法，其输入电流可以接近正弦并且相位基本与输入电压同相，变压器11的各组次级绕组112A、112B、112C相位可以相同。 

在图3A中，当交流电机1制动时，图3F所示的各三相变频器（如12A）可以将电机2的制动能量逆变成交流电压，并经过变压器11回馈到电网3。 

将图4D与图4B对照，不同之处在于各三相变频器（如12A）的直流-直流变换电路125中的不控开关1253（二极管）由可控开关（如MOSFET）所代替。 

与图3A类似，在图4A中，当交流电机1制动时，图4D所示的各三相变频器（如12A）可以将电机2的制动能量转变成直流电压，并回馈到蓄电池组4。 

前面已经提到了本发明提供的交流电机传动装置的组成及连接关系。在图3A中，出于设计、制造方便的考虑，可以使各组三相定子绕组内的三相绕组以及不同组的三相定子绕组（共9个绕组）的匝数完全相同；所有3个三相变频器12A、12B、12C的结构、参数也设计成完全相同；这样只要3个三相变频器12A、12B、12C的三相对称交流输出电压（或三相对称交流PWM电压的基准波）的频率、幅值相同，但相位依次错开一定的角度以使三相变频器12A、12B、12C产生的电机定子磁场转速、相位、幅度均相同，则3个三相变频器的输出功率也大致相同，可以共同驱动3倍于三相变频器（如12A）功率的交流电机2。 

为了三相变频器（如12A）控制简单起见，也可以使3个三相变频器12A、12B、12C的三相对称交流输出电压（或三相对称交流PWM电压的基准波）的频率、幅值、相位都相同，这样12A、12B、12C产生的电机定子磁场转速、相幅度都相同，但相互错开一定角度，共同驱动交流电机2。 

特别指出，在图3A和图4A中，在控制器13的控制下，可以使各三相变频器12A、12B、12C输出的三相交流电压的频率发生变化，或者使输出的三相交流PWM电压的基准波的频率发生变化，从而实现交流电机2的变频调速。 

在以上的叙述中，为了方便描述，都是针对M=3的特例进行的，即本发明的交流电机包括3组三相定子绕组，对应的交流电机驱动器包括3个三相变频器。容易得出，本发明能够适用任何M大于1的应用场合。 

采用图3A和图3B所示的交流电机传动装置，如果各三相变频器的输入电压、输出电压都是1000V（与图1A的866V接近），即可取代图1A和图1B描述的3000V“高压变频器+高压电机”驱动系统。进一步对照，不难发现： 

1）图3A中描述的交流电机2的3组三相绕组电气绝缘，因而各定子绕组只需要1000V交流的绝缘等级，而图1A描述的高压电机的定子绕组则需要3000V的绝缘等级，前者的成本无疑会显著降低。

2）图3A中描述的交流电机驱动器1由3个彼此电气完全隔离的三相变频器12A、12B、12C组成，彼此之间不再存在高电压，与图1A中的高压变频器1相比，驱动器内部的绝缘要求显著降低，结构可以更加紧凑；前者只包括3个三相变频器12A-12C，而后者包括6个功率单元12A-12F；前者只需要18个整流二极管和18个IGBT，而后者需要36个整流二极管和24个IGBT。与图1A所示的高压变频器相比，图3A所示的本发明提供的交流电机驱动器的成本更低、体积更小。 

3）图1A和图1B中描述的高压变频器中的各功率单元（如12A）采用单相输出，其输出电流引起的直流母线上的脉动电流很大，因而需要很大容量的直流滤波电解电容1221，体积庞大、成本高、寿命低，已经成为高压变频器寿命的主要制约因素。而在图3A描述的本发明的交流电机驱动器1中，3个三相变频器12A、12B、12C的输出都是三相交流电压，输出电流引起的直流母线上的脉动电流显著降低，因而只需要容量较小的直流滤波电容1221，甚至可以采用工作寿命很长的薄膜电容器，可以在不提高成本的前提下从根本上提高交流电机驱动器的寿命周期，或者在满足一定寿命周期的条件下显著降低驱动器的材料成本。 

4）在图3A中描述的本发明的交流电机驱动器中，3个三相变频器在电气上是完全隔离的，一旦某个三相变频器（如12A）出现故障时，可以很方便地将该三相变频器输出、输入从系统中可靠切除，而其它三相变频器仍然能够驱动交流电机降额运行，从而提高交流电机驱动系统的工作可靠性。而图1A中的高压变频器，尽管可以实现功率单元的输出旁路，但由于各功率单元的电气关联，功率单元旁路可靠性较差，并且实现成本很高。 

5）在图3A中描述的本发明的交流电机传动装置中，交流电机驱动器1中的变压器11只有3组三相次级绕组112A-112C，而图1A所示的高压变频器1中的变压器11则有6组三相次级绕组112A-112F，前者的变压器成本更低。 

上述对比是针对3000V的应用进行的，对于10KV的传动系统，如果沿用图1A、图1B的主电路形式，每相3个功率单元串联（输入为三相2000V，输出为单相2000V），共需要9个功率单元（54个整流管、36个IGBT、大量的电解电容），变压器需要9组三相次级绕组，高压电机绕组需要承受10KV的高压，电机最少只需要3个外部接线端，高压变频器与电机之间的电缆为3条；而如果采用图3A、图3B的传动装置，共需要5个（M=5）三相变频器（输入、输出都是三相2000V，整流管、IGBT各30个，分别减少了4/9和1/6，电解电容的容量可以减少到1/5以下），变压器需要5组三相次级绕组，交流电机绕组只需要承受2000V的电压，电机最少需要15个外部接线端，交流电机驱动器与电机之间的电缆为15条；不难看出，尽管交流电机的外部接线端的增多会导致电机的制造工艺难度有所提高，与交流电机驱动器之间的电缆增多会增加设备的安装成本，但与本发明的交流电机传动装置所带来的诸多优点相比，则显得微不足道。 

采用图4A和图4B所示的交流电机传动装置，可以实现电动汽车的低压驱动。如果各三相变频器的输入电压都是直流96V、输出电压都是交流120V，即可取代图2所描述的“高压蓄电池组+高压驱动器+高压电机”电动汽车驱动系统。进行对比，可以发现： 

1）图4A中提供的本发明实施例中的交流电机包括3个三相定子绕组，每个定子绕组的电压等级只有交流120V，而图2描述的对应现有电动汽车的交流电机的绕组电压等级为交流360V，本发明可以明显降低交流电机的电压等级。

2）图4A提供的本发明实施例中，采用3个三相变频器12A、12B、12C共同驱动交流电机，当某个三相变频器（如12A）发生故障时，将其从驱动系统切除后，其它的两个三相变频器（如12B、12C）仍然可以驱动电动汽车降额运行，汽车半路抛锚的可能性能够显著降低； 

3）图4A提供的本发明实施例中，蓄电池组4的额定电压降低到96伏（图2给出的蓄电池额定电压为288伏），只需要30节磷酸铁锂蓄电池串联（图2给出的蓄电池为90节串联），更容易实现蓄电池组的动态均衡管理，因而可以显著提高蓄电池组的容量利用率，增强汽车的续航能力；还能够延长电池组的工作寿命，降低电动汽车的使用成本；此外，3个三相变频器中的直流-直流转换电路125还可以实现错相PWM控制，改善了蓄电池工作电流的平稳性，也能使蓄电池组的工作寿命得以提高。

4）图4A提供的本发明实施例中，电动汽车中不再存在高达数百伏的高电压，汽车的电气安全性能得以提高。如果三相变频器的数量进一步增大，甚至可以将蓄电池的电压等级降低到42V以下，则电动汽车的绝缘要求将显著降低，而电气安全则可以从本质上提高。 

总之，以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 

Claims (12)

1.一种交流电机驱动器，其特征在于，包括M个三相变频器和控制器（13）；所述的M个三相变频器的输入端分别连接电源；所述M个三相变频器分别输出对称的三相交流电压，或分别输出对称的三相脉冲宽度调制PWM电压；所述控制器（13）分别与所述的M个三相变频器连接，为各三相变频器提供控制信号，并接收各三相变频器的运行信息；其中：M为大于1的自然数。

2.根据权利要求1所述的交流电机驱动器，其特征在于，所述的M个三相变频器分别包括整流电路(121)、直流滤波电路（122）、逆变电路（123）和控制电路（124）；所述整流电路（121）、直流滤波电路（122）、逆变电路（123）依次相连；其中：所述控制电路（124）与所述逆变电路（123）相连，或所述控制电路（124）分别与所述整流电路(121)、逆变电路（123）相连；所述控制电路（124）进一步与所述控制器（13）相连；所述的各整流电路（121）的输入分别作为所在的三相变频器的输入，分别连接电压波形、幅度、频率相同的交流电源；所述的各逆变电路（123）的输出分别作为所在的三相变频器的输出。

3.根据权利要求2所述的交流电机驱动器，其特征在于，所述M个整流电路（121）的输入分别为三相交流电压，并且相位依次相差60/M度。

4.根据权利要求1所述的交流电机驱动器，其特征在于，所述的M个三相变频器分别包括直流-直流变换电路(125)、直流滤波电路（122）、逆变电路（123）和控制电路（124）；其中：所述直流-直流变换电路（125）、直流滤波电路（122）、逆变电路（123）依次相连；所述控制电路（124）分别与所述直流-直流变换电路(125)、逆变电路（123）相连；所述控制电路（124）进一步与所述控制器（13）相连；所述的各直流-直流变换电路（125）的输入分别作为所在的三相变频器的输入，分别连接电压相等的直流电源；所述的各逆变电路（123）的输出分别作为所在的三相变频器的输出。

5.根据权利要求4所述的交流电机驱动器，其特征在于，所述M个直流-直流变换电路（125）的输入连接共同的直流电源。

6.根据权利要求2或4所述的交流电机驱动器，其特征在于，所述逆变电路（123）的输出电压为三相PWM波；三相PWM波中各相的载波相同；三相PWM波中不同相的基准波波形、幅度、频率相同，相位依次相差120度。

7.根据权利要求6所述的交流电机驱动器，其特征在于，所述M个三相变频器中逆变电路（123）的直流输入电压均相等；所述M个逆变电路（123）的输出三相PWM波之间对应相的基准波波形、幅度、频率均相同，载波波形、幅度、频率相同，相位依次相差360/M度。

8.根据权利要求7所述的交流电机驱动器，其特征在于，所述M个逆变电路（123）的输出三相PWM波之间对应相的基准波的相位也相同。

9.根据权利要求1所述的交流电机驱动器，其特征在于，所述交流电机驱动器中M个三相变频器均具有能量回馈功能。

10.一种交流电机传动装置，包括交流电机（2），其特征在于，还包括权利要求1所述的电机驱动器（1）；其中：

所述交流电机（2）包括机壳（23）、转子（22）和具有M组相互绝缘的三相绕组的定子（21）；所述的交流电机定子（21）的M组三相绕组的接线端分别按照三相交流电机的出线方式引出到机壳（23）外部；所述的电机驱动器中的M个三相变频器的输出端分别连接所述的交流电机的一组三相定子绕组的接线端。

11.根据权利要求10所述的交流电机传动装置，其特征在于，所述交流电机定子（21）的M组三相绕组的所有3M个绕组匝数相同；所述的电机驱动器（1）中的M个三相变频器结构相同；所有M个三相变频器对应相交流输出电压的频率、幅值相同，或交流输出PWM电压的基准波频率、幅值相同。

12.根据权利要求11所述的交流电机传动装置，其特征在于，所有M个三相变频器对应相交流输出电压的相位也相同，或交流输出PWM电压的基准波的相位也相同。

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