CN103731079B - 一种共母线结构的开绕组永磁电机系统及其抑制零序电流的控制方法 - Google Patents

一种共母线结构的开绕组永磁电机系统及其抑制零序电流的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种共母线结构的开绕组永磁电机系统,该系统包括一台永磁同步电机、两台变流器、一直流电源即一台控制器;永磁同步电机为开绕组结构,变流器为电压源型三相全桥逆变器,两台变流器直流侧连接到同一直流电源。由于两台变流器直流侧直接相连,该结构存在三次电流回路,故本发明还公开了上述系统抑制零序电流的控制方法,其通过设计电压补偿器,对变流器电压给定进行修正,能够大幅度减小零序电流。本发明系统中两变流器共用同一直流源,结构简单,成本低,在零序电流得到良好的抑制下,运行性能和效率高。

Description

一种共母线结构的开绕组永磁电机系统及其抑制零序电流 的控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于电机技术领域,具体涉及一种共母线结构的开绕组永磁电机系统及其 抑制零序电流的控制方法。

背景技术

[0002] 由于铝镍钴、铁氧体和钕铁硼等高磁能密度的永磁材料的出现,使永磁电机得到 了空前的发展和壮大。同时,永磁电机摒弃了电刷、集电环等装置,不需要励磁绕组和励磁 电源,大大减小了电机的损耗并且提高了电机的运行可靠性。永磁电机由于其高功率密度、 高效率、结构简单及运行可靠等性能,已经广泛运用于航天、汽车、国防和发电等各个领域。

[0003] 近年来,有人提出开绕组电机结构,即将传统的Y接绕组中性点解开,绕组两端各 接一个变流器,通过对两个变流器的控制,可以实现三电平控制,提高了电机的电压等级, 并且减小了电压调制的谐波含量。将开绕组结构运用于永磁电机,电机反电势依赖于永磁 体结构,实际中永磁体旋转产生的反电势往往存在三次谐波。传统的开绕组永磁电机系统 结构如图1所示,该结构下,两个变流器分别连接到两个隔离的直流电源,由于两直流电源 隔离,系统中不存在零序电流回路,即使电压中存在三次谐波,也不会产生零序电流,但是 由于系统需要两个隔离的直流源,增加了系统的复杂程度和成本。然而,两变流器共用同一 直流电源时,对应的结构存在零序电流回路,又由于永磁电机中存在反电势三次谐波,故系 统中会有零序电流流通,导致系统效率低下,轴承发热等问题。

[0004] 基于以上考虑,为了抑制零序电流,有人提出了在三相回路上串电感来抑制三次 及更高次谐波电流的大小,然而串入电感会增加系统硬件成本和复杂度,同时,也会增加系 统的损耗和无功功率。也有人提出,使用电压空间矢量调制时,采用无共模电压的矢量进行 调制,消除逆变器产生的零序电压,此方法适用于感应电机,然而针对于永磁电机,永磁体 反电势中存在三次谐波得不到抑制,同时该方法只是基于开环控制,易受各种扰动影响,误 差较大。

发明内容

[0005] 针对现有技术所存在的上述技术问题,本发明提供了一种共母线结构的开绕组永 磁电机系统及其抑制零序电流的控制方法,能够有效抑制共直流母线结构开绕组永磁电机 的零序电流,结构简单,成本低,抗干扰能力强。

[0006] -种共母线结构的开绕组永磁电机系统,包括:一台开绕组永磁电机、两台变流器 J1~J2、一台直流源和一控制器;

[0007] 所述的开绕组永磁电机的三相绕组一侧与变流器J1的交流侧对应连接,另一侧 与变流器J2的交流侧对应连接;两台变流器的直流侧共同连接所述的直流源;

[0008] 所述的控制器用于采集三相绕组的端电压、相电流以及两台变流器直流侧公共的 直流母线电压,进而根据这些信号通过控制策略构造出两组PWM信号以对两台变流器进行 控制。

[0009] 所述的直流源两端并联有母线电容。

[0010] 上述开绕组永磁电机系统抑制零序电流的控制方法,包括如下步骤:

[0011] (1)采集开绕组永磁电机三相绕组的端电压、相电流以及两台变流器直流侧公共 的直流母线电压,进而通过测量或估算得到电机的转速和和转子位置角;

[0012] (2)利用所述的转子位置角对相电流进行dq变换,得到相电流的d轴分量和q轴 分量;

[0013] (3)根据所述的转速以及相电流的d轴分量和q轴分量,计算出电机的实际输出功 率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量;进而根据基于无功轴电流为零的矢量控制算 法计算出电机的有功轴电压指令Uq和无功轴电压指令U d;

[0014] (4)取相电流的平均值作为零序电流分量,进而根据所述的零序电流分量通过零 序电压补偿算法确定电机的零轴电压指令u。;

[0015] (5)通过对电机的零轴电压指令u。、有功轴电压指令uq和无功轴电压指令u d进行 分配,得到对应两台变流器的两套电压指令;进而对这两套电压指令进行Park反变换,并 通过SPWM (正弦脉宽调制)技术构造得到两组PWM信号以分别对两台变流器进行控制。

[0016] 所述的步骤(1)中采用反电势估测法或高频信号注入法估算电机的转速和和转子 位置角。

[0017] 所述的步骤(3)中根据以下算式计算电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和 无功轴电压补偿量:

Figure CN103731079BD00051

[0021] 其中:P为电机的实际输出功率,Λ usd和Δ u sq分别为电机的无功轴电压补偿量和 有功轴电压补偿量,电机的转速,η p为电机的极对数,Lsd和Lsq分别为电机的直轴电 感和交轴电感,为电机的转子磁链,i sd和i sq分别为相电流的d轴分量和q轴分量。

[0022] 所述的步骤(3)中基于无功轴电流为零的矢量控制算法的具体实现方式如下:

[0023] A1.使预设的目标输出功率减去所述的实际输出功率,得到功率误差;

[0024] A2.对所述的功率误差进行PI调节得到有功轴电流指令,并令无功轴电流指令为 零;

[0025] A3.使无功轴电流指令和有功轴电流指令分别减去相电流的d轴分量和q轴分量, 得到无功轴电流误差和有功轴电流误差;

[0026] A4.分别对有功轴电流误差和无功轴电流误差进行PI调节得到有功轴电压误差 和无功轴电压误差;使电机的有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量分别减去有功轴电压 误差和无功轴电压误差,即得到电机的有功轴电压指令Uq和无功轴电压指令U d。

[0027] 所述的步骤(4)中零序电压补偿算法的具体实现方式如下:

[0028] B1.对零序电流分量进行锁相得到零序电流分量的角速度,并对该角速度进行积 分得到零序电流分量的相位Θ。;

[0029] B2.使sin Θ。乘以零序电流分量后经低通滤波得到零序电流的幅值I。;进而根据 以下算式计算得到电机系统零序电流回路上等效电感的零轴电压指令Ui:

Figure CN103731079BD00061

[0031] 其中:MP K 1分别为比例系数和积分系数,s为拉普拉斯算子;

[0032] B3.对零序电流分量进行比例调节,得到电机系统零序电流回路上等效电阻的零 轴电压指令uQR;

[0033] B4.使零轴电压指令u。#零轴电压指令U(]R相加,即得到电机的零轴电压指令u。。

[0034] 本发明基于开绕组结构的永磁电机,采用共直流电源结构,通过设计零序电压补 偿器达到抑制零序电流的目的,该系统只涉及一个直流电源且不需要隔离,抑制零序电流 只是在控制算法上改动,不需要增加系统硬件成本。同时,本发明抑制零序电流方法,直接 基于对零序电流的检测,并设计了一个电流闭环结构,控制简单而又稳定性强。本发明提出 的系统和控制方法相比于传统的结构,简小了系统复杂度,降低了成本,同时,在不增加硬 件的条件下,很好的解决了永磁体反电势含有三次谐波的问题,控制方法简单,且抗干扰能 力强。

附图说明

[0035] 图1为传统开绕组永磁电机系统的结构示意图。

[0036] 图2为本发明共直流母线开绕组永磁电机系统的结构示意图。

[0037] 图3为本发明系统抑制零序电流的控制流程图。

[0038] 图4为反电势估测法的原理示意图。

[0039] 图5为零序电压补偿器的控制框图。

[0040] 图6 (a)为共直流母线开绕组电机在无电压补偿器情况下的a相电流波形图。

[0041] 图6(b)为共直流母线开绕组电机在无电压补偿器情况下的a相电流谐波分析示 意图。

[0042] 图7 (a)为共直流母线开绕组电机在有电压补偿器情况下的a相电流波形图。

[0043] 图7(b)为共直流母线开绕组电机在有电压补偿器情况下的a相电流谐波分析示 意图。

具体实施方式

[0044] 为了更为具体地描述本发明,下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案 进行详细说明。

[0045] 如图2所示,一种基于共直流母线开绕组永磁电机系统,包括:一台永磁电机、两 台变流器J1~J2、一直流电源S和一台控制器;其中,永磁电机具有三相绕组,并且为开绕 组结构;变流器J1和J2采用三相全桥整流器,变流器J1和J2直流侧共用同一直流电源, 并且直流电源上并有母线电容C,每个桥臂上至少由一个电力电子开关器件串联组成,本实 施方式中开关器件采用IGBT ;永磁电机任一相绕组的一端与机侧变流器J1中对应相上下 桥臂的中心接点相连,另一端与机侧变流器J2中对应相上下桥臂的中心接点相连。

[0046] 控制器用于采集永磁同步电机的端电压ua~u。、相电流ia~i。以及变流器的直 流输出电压ud。,进而通过控制策略构造出PWM信号以对两台变流器进行控制。本实施方式 中,控制器采用DSP。

[0047] 如图3所示,本实施方式抑制零序电流控制的方法,包括如下步骤:

[0048] A1.采集永磁电机的端电压ua~u。和相电流i a~i。以及两台变流器的直流输出 电压Ud。,进而估算出永磁电机的转速cos和转子位置角Θ,反电势估测法的实施原理如图4 所示,其中札为定子相电阻;

[0049] A2.利用转子位置角Θ对相电流进行dq变换,得到相电流的d轴分量isd和q轴 分量isq;

[0050] A3.根据转速ω s以及相电流的d轴分量i sd和q轴分量i sq,根据以下算式计算出 永磁电机的实际输出功率P、有功轴电压补偿量AUq和无功轴电压补偿量Aum;

Figure CN103731079BD00071

[0054] 其中:np为永磁电机的极对数,L sd和L sq分别为永磁电机的直轴电感和交轴电感, 为永磁电机的转子磁链;本实施方式中,n p=8, Rs=l. 1 Ω,Wf=2. 802V. s,Lsd=77. 56mH, Lsq=107. 4mH〇

[0055] 进而根据基于无功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令uq和无功 轴电压指令ud;

[0056] (1)使预设目标输出功率Praf减去实际输出功率P,得到功率误差ΔΡ ;本实施方式 中 Pref=1100W ;

[0057] (2)根据以下算式对功率误差ΔΡ进行PI调节得到有功轴电流指令Isq,并令无功 轴电流指令1为〇 ;

Figure CN103731079BD00072

[0059] 其中,Kpl和K u分别为比例系数和积分系数,s为拉普拉斯算子;本实施方式中, Kpl=0. 5, Κη=0. 005。

[0060] (3)使无功轴电流指令Isd和有功轴电流指令I sq分别减去相电流的d轴分量i sd和q轴分量isq,得到无功轴电流误差A isd和有功轴电流误差△ i sq;

[0061] (4)根据以下公式,分别对有功轴电流误差Aisq和无功轴电流误差Ai sd进行PI 调节得到有功轴电压误差和无功轴电压误差,使有功轴电压补偿量A usjP无功轴电压补 偿量A usd*别减去有功轴电压误差和无功轴电压误差,即得到有功轴电压指令u q和无功 轴电压指令ud;

Figure CN103731079BD00073

[0064] 其中,MP K 12分别为比例系数和积分系数,本实施方式中,K p2=5, Kl2=0. 08。

[0065] Α4.利用Α1中采集的相电流ia~i。,计算得到零序电流分量i。,再根据零序电流 利用零序电压补偿器,计算得到零轴电压指令,图5为补偿控制器流程框图;

[0066] 1.取ia,ib,i。的平均值得到零序电流分量i。;

[0067] 2.将零序电流i。进行锁相,计算得到零序电流i。角速度ω 3,再将ω3进行积分, 得到零序电流相位θ3;

[0068] 3.取零序电流相位03的正弦值sin Θ 3乘以零序电流,再进行低通滤波(滤波截 止频率选取为电机运行基频的3倍),得到零序电流幅值I。,在对零序电流幅值进行PI调节 并乘以零序电流相位的余弦值cos Θ 3,得到系统零序电流回路上等效电感的零轴电压指令 U〇L;

Figure CN103731079BD00081

[0070] 其中,Κρί和Κ α分别为比例系数和积分系数,本实施方式中,Κ ρί=20, Κα=5。

[0071] (4)将零序电流i。进行Ρ调节,得到系统零序电流回路上等效电阻的零轴电压指 令 u0R;

Figure CN103731079BD00082

[0073] 其中,KpR为比例系数,本实施方式中,KpR=5。

[0074] (5)将电感上的零轴电压指令U(X和电阻上的零轴电压指令u %相加,得到系统的 零轴电压指令u。。

[0075] Α5.对有功轴电压指令Uq、无功轴电压指令叫和零轴电压指令u。进行分配,得到 两台变流器各自的有功轴电压指令分量uql~u q2、无功轴电压指令分量udl~u d2和零轴电 压指令分量1½~u。2;再将得到两台逆变器的电压指令进行Park反变换,得到两台变流器 各自的三相相电压指令uatel~u ate2,进而通过SPWM技术构造得到两组PWM信号分别对两台 变流器进行控制。

[0076] 本实施方式通过分配使得变流器J1的有功轴电压指令分量uql=0. 5uq,无功轴电 压指令分量udl=0. 5ud,零轴电压指令uQ1=u。;变流器J2的有功轴电压指令分量u q2=-0. 5uq, 无功轴电压指令分量ud2=-0. 5ud,零轴电压指令uM=0。

[0077] 以下,我们对本实施方式进行仿真测试,电机的参数如表1所示:

[0078] 表 1

Figure CN103731079BD00083

Figure CN103731079BD00091

[0081] 图6和图7为采用本实施方式对共直流母线开绕组永磁电机系统控制的仿真波形 图,波形取0. 5s~2s时间段,系统处于稳定运行状态。此时,系统目标功率为1100W,转速 为32转/分钟。从仿真结果可以得出,共直流母线永磁电机系统,在无零序电压补偿的情 况下,电流波形中含有很大成分的三次谐波,高达24. 22% ;加入本发明所设计的零序电压 补偿器后,三次电流大幅度减小,只有0. 61%。仿真结果表明,本发明所提出的系统和控制方 法能够很好的抑制零序电流,使系统高效且稳定运行。

Claims (4)

1. 一种共母线结构的开绕组永磁电机系统抑制零序电流的控制方法,所述的开绕组永 磁电机系统包括一台开绕组永磁电机、两台变流器J1~J2、一台直流源和一控制器;所述 的开绕组永磁电机的三相绕组一侧与变流器J1的交流侧对应连接,另一侧与变流器J2的 交流侧对应连接;两台变流器的直流侧共同连接所述的直流源;所述的控制器用于采集三 相绕组的端电压、相电流以及两台变流器直流侧公共的直流母线电压,进而根据这些信号 通过控制策略构造出两组PWM信号以对两台变流器进行控制; 所述的控制方法包括如下步骤: (1) 采集开绕组永磁电机三相绕组的端电压、相电流以及两台变流器直流侧公共的直 流母线电压,进而通过测量或估算得到电机的转速和和转子位置角; (2) 利用所述的转子位置角对相电流进行dq变换,得到相电流的d轴分量和q轴分量; (3) 根据所述的转速以及相电流的d轴分量和q轴分量,计算出电机的实际输出功率、 有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量;进而根据基于无功轴电流为零的矢量控制算法计 算出电机的有功轴电压指令uq和无功轴电压指令ud; (4) 取相电流的平均值作为零序电流分量,进而根据所述的零序电流分量通过零序电 压补偿算法确定电机的零轴电压指令u。: B1.对零序电流分量进行锁相得到零序电流分量的角速度,并对该角速度进行积分得 到零序电流分量的相位Θ。; B2.使sinΘ。乘以零序电流分量后经低通滤波得到零序电流的幅值I。;进而根据以下 算式计算得到电机系统零序电流回路上等效电感的零轴电压指令uw
Figure CN103731079BC00021
其中:MPK1分别为比例系数和积分系数,s为拉普拉斯算子; B3.对零序电流分量进行比例调节,得到电机系统零序电流回路上等效电阻的零轴电 压指令u0R; B4.使零轴电压指令u(^和零轴电压指令u(jR相加,即得到电机的零轴电压指令u。; (5) 通过对电机的零轴电压指令u。、有功轴电压指令uq和无功轴电压指令ud进行分 配,得到对应两台变流器的两套电压指令;进而对这两套电压指令进行Park反变换,并通 过SPWM技术构造得到两组PWM信号以分别对两台变流器进行控制。
2. 根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:所述的步骤(1)中采用反电势估测 法或高频信号注入法估算电机的转速和和转子位置角。
3. 根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:所述的步骤(3)中根据以下算式计 算电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量:
Figure CN103731079BC00022
Ausq=ωsWf-〇sLsdisd Ausd=ωsLsqisq 其中:P为电机的实际输出功率,Aus#PAusq分别为电机的无功轴电压补偿量和有功 轴电压补偿量,电机的转速,ηp为电机的极对数,Lsd和Lsq分别为电机的直轴电感和 交轴电感,为电机的转子磁链,isd和isq分别为相电流的d轴分量和q轴分量。
4.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于:所述的步骤⑶中基于无功轴电流 为零的矢量控制算法的具体实现方式如下: A1.使预设的目标输出功率减去所述的实际输出功率,得到功率误差; A2.对所述的功率误差进行PI调节得到有功轴电流指令,并令无功轴电流指令为零;A3.使无功轴电流指令和有功轴电流指令分别减去相电流的d轴分量和q轴分量,得到 无功轴电流误差和有功轴电流误差; A4.分别对有功轴电流误差和无功轴电流误差进行PI调节得到有功轴电压误差和无 功轴电压误差;使电机的有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量分别减去有功轴电压误差 和无功轴电压误差,即得到电机的有功轴电压指令uq和无功轴电压指令ud。
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