CN104167975A - 一种基于相切换的多相永磁电机调速系统及其调速方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相切换的多相永磁电机调速系统及其调速方法。该系统包括第一和第二逆变器，切换电路，第一和第二断路器，以及多相永磁电机；多相永磁电机为两套三相绕组结构；第一逆变器的三相输出端分别连接电机的第一套绕组的三相正向端，第一套绕组的三相负向端通过切换电路分别连接电机的第二套绕组的三相正向端，第二套绕组的三相负向端分别连接第二逆变器的三相输出端；第一和第二逆变器分别由两个独立的直流电源供电，第一和第二断路器分别设置在第一和第二逆变器的直流母线的低电位端；切换电路用于调整第一和第二套绕组的连接方式，从而调整电机的相反电势。本发明能提高永磁电机的调速范围、调速灵活性及调速系统的容错率。

Description

一种基于相切换的多相永磁电机调速系统及其调速方法

技术领域

本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种基于相切换的多相永磁电机调速系统及其调速方法。

背景技术

目前，在船舶推进、电力机车和工业牵引等低压大功率、高性能和高可靠性应用场合，具有高转矩密度和质量、高效、宽调速比和强容错能力的电机驱动系统是人们研究的热点。

国内外研究表明，永磁电机系统具有高转矩密度、高效的特点，使其逐步成为现代工业驱动系统的最佳选择，特别在电动汽车工业中。然而，在电动汽车、直驱式数控机床等电动驱动系统中，工作转速范围需求很宽，因此在满足系统高效、高转矩密度要求的同时，系统应具备一定的调速范围。由于永磁电机的气隙磁场由永磁体提供，较为固定难以调节，当转速上升，定子绕组中的反电势也随之上升，当转速达到一定值时，由于逆变器的容量限制，逆变器将无法继续向电机馈电。因此，当转速超过逆变器容量限定转速值时，需要一些技术来进行调速，现有的调速技术主要是通过施加定子直轴去磁电流(弱磁电流)，产生一个与永磁磁场相反的磁场，从而削弱气隙磁场，进而实现弱磁调速。

公开号为CN102651626A的中国专利申请公开了一种永磁同步电机的弱磁控制方法，通过电机直轴电流调节其输出的直轴电压指令值和逆变器输出的最大电压值来计算得到电机交轴电压的指令值，保证在弱磁区间电机电压达到最大值，该种方法有利于解决弱磁控制中交直轴电流耦合而引起的系统控制效果不理想的问题，并提高电压利用率。然而，由于直轴去磁电流产生的磁场抵消了一部分永磁磁场实现弱磁，增加了永磁体不可逆退磁的风险，从而影响系统的寿命和稳定性；同时直轴电流对磁场的弱磁调节能力有限，调速范围与电机本体结构有很大关系。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于相切换的多相永磁电机调速系统及其调速方法，其目的在于提高永磁电机的调速范围、调速灵活性及调速系统的容错率，由此解决由于永磁体不可逆退磁引起的永磁电机寿命短、稳定性差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多相永磁电机调速系统，其特征在于，包括第一逆变器、第二逆变器、切换电路、第一断路器、第二断路器和多相永磁电机；所述多相永磁电机为两套三相绕组结构；所述第一逆变器的三相输出端分别连接所述多相永磁电机的第一套绕组的三相正向端，所述第一套绕组的三相负向端通过所述切换电路分别连接所述多相永磁电机的第二套绕组的三相正向端，所述第二套绕组的三相负向端分别连接所述第二逆变器的三相输出端；所述第一逆变器和第二逆变器分别由两个独立的直流电源供电，所述第一断路器和第二断路器分别设置在所述第一逆变器和第二逆变器的直流母线的低电位端；所述切换电路用于调整所述第一套绕组和第二套绕组的连接方式，从而调整所述多相永磁电机的相反电势。

优选地，所述切换电路包括第一至第十五开关；所述第一套绕组的第一相绕组的负向端依次通过所述第一至第三开关连接所述第二套绕组的第一相绕组的正向端，所述第一套绕组的第二相绕组的负向端依次通过所述第四至第六开关连接所述第二套绕组的第二相绕组的正向端，所述第一套绕组的第三相绕组的负向端依次通过所述第七至第九开关连接所述第二套绕组的第三相绕组的正向端；所述第一套绕组的第一相绕组的负向端与所述第四开关和第五开关的公共端间通过所述第十开关连接，所述第一套绕组的第二相绕组的负向端与所述第七开关和第八开关的公共端间通过所述第十一开关连接，所述第一套绕组的第三相绕组的负向端与所述第一开关和第二开关的公共端间通过所述第十二开关连接；所述第二套绕组的第一相绕组的正向端与所述第五开关和第六开关的公共端间通过所述第十三开关连接，所述第二套绕组的第二相绕组的正向端与所述第八开关和第九开关的公共端间通过所述第十四开关连接，所述第二套绕组的第三相绕组的正向端与所述第二开关和第三开关的公共端间通过所述第十五开关连接。

按照本发明的另一方面，提供了一种上述多相永磁电机调速系统的调速方法，其特征在于，在电机转速小于或等于第一转速时，控制所述切换电路，使所述第一套绕组的第一、第二和第三相绕组分别与所述第二套绕组的第一、第二和第三相绕组正向串联，此时所述调速系统处于第一调速阶段；在电机转速大于第一转速且小于或等于第二转速时，控制所述切换电路，使所述第一套绕组的第一和第二相绕组分别与所述第二套绕组的第二和第三相绕组正向串联，使所述第一套绕组的第三相绕组与所述第二套绕组的第一相绕组正向串联，此时所述调速系统处于第二调速阶段；在电机转速大于第二转速且小于或等于第三转速时，控制所述切换电路，使所述第一套绕组和第二套绕组各自形成独立的星型连接，此时所述调速系统处于第三调速阶段；在电机转速大于第三转速且小于或等于第四转速时，控制所述切换电路，使所述第一套绕组的第一相绕组与所述第二套绕组的第三相绕组正向串联，使所述第一套绕组的第二和第三相绕组分别与所述第二套绕组的第一和第二相绕组正向串联，此时所述调速系统处于第四调速阶段；所述第一套绕组中的第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组之间的相位关系等同于所述第二套绕组中的第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组之间的相位关系，所述第一套绕组的第一相绕组与所述第二套绕组中的第一相绕组的相位差β最小，0°≤β≤60°。

优选地，所述第一至第四转速分别为所述调速系统在所述第一至第四调速阶段，使所述多相永磁电机工作在最大转矩电流比控制状态下，所述多相永磁电机端电压达到逆变器的电压极限椭圆时的电机转速。

优选地，在所述第一、第二和第四调速阶段，使所述第一断路器和第二断路器中的一个接通母线电压，另一个与母线电压断开；其中，在所述第一断路器接通母线电压时，使所述第一逆变器通电工作，使所述第二逆变器的上桥臂或者下桥臂的三个功率管全部导通；在所述第二断路器接通母线电压时，使所述第二逆变器通电工作，使所述第一逆变器的上桥臂或者下桥臂的三个功率管全部导通；在所述第三调速阶段，使所述第一断路器和第二断路器接通母线电压，使所述第一逆变器和第二逆变器同时通电工作。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、通过切换电路连接多相永磁电机的两套绕组，结合相切换技术，能在高速状态下大幅降低多相永磁电机的反电势，从而大幅提高系统的扩速范围，同时也避免了永磁体退磁的风险，增加了系统的寿命。

2、通过设计多相永磁电机的双Y绕组之间的初始相位差，同时结合相切换技术，可使得多相永磁电机满足实际的系统不同的扩速范围需求，极大地提高了永磁电机调速灵活性。

3、引入两套逆变器，在其中一套逆变器或者某个相绕组发生故障时，另一套逆变器和其它绕组能继续工作，因此提高了调速系统的容错率。

附图说明

图1是本发明实施例的基于相切换的多相永磁电机调速系统的结构示意图；

图2是切换电路拓扑结构示意图；

图3是多相永磁电机两套绕组的空间相位示意图；

图4是多相永磁电机各绕组相切换的矢量示意图；

图5是本发明实施例的基于相切换的多相永磁电机调速系统的控制策略示意图；

图6是切换电路的工作状态示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的多相永磁电机调速系统包括：第一逆变器、第二逆变器、切换电路、第一断路器G1、第二断路器G2和多相永磁电机。其中，多相永磁电机为两套三相绕组结构。第一逆变器的三相输出端分别连接第一套绕组的三相正向端，第一套绕组的三相负向端通过切换电路分别连接第二套绕组的三相正向端，第二套绕组的三相负向端分别连接第二逆变器的三相输出端。第一逆变器和第二逆变器分别由两个独立的直流电源供电，第一逆变器和第二逆变器的直流母线的低电位端分别设置第一断路器G1和第二断路器G2。控制器分别连接第一逆变器、第二逆变器、切换电路、第一断路器G1和第二断路器G2，控制器通过控制切换电路，第一和第二逆变器，以及第一和第二断路器G1和G2来控制多相永磁电机的工作模式。

如图2所示，切换电路包括第一至第十五开关S1～S15。第一套绕组的第一相绕组的负向端X1依次通过第一至第三开关S1～S3连接第二套绕组的第一相绕组的正向端A2，第一套绕组的第二相绕组的负向端Y1依次通过第四至第六开关S4～S6连接第二套绕组的第二相绕组的正向端B2，第一套绕组的第三相绕组的负向端Z1依次通过第七至第九开关S7～S9连接第二套绕组的第三相绕组的正向端C2。第一套绕组的第一相绕组的负向端X1与第四开关S4和第五开关S5的公共端间通过第十开关S10连接，第一套绕组的第二相绕组的负向端Y1与第七开关S7和第八开关S8的公共端间通过第十一开关S11连接，第一套绕组的第三相绕组的负向端Z1与第一开关S1和第二开关S2的公共端间通过第十二开关S12连接。第二套绕组的第一相绕组的正向端A2与第五开关S5和第六开关S6的公共端间通过第十三开关S13连接，第二套绕组的第二相绕组的正向端B2与第八开关S8和第九开关S9的公共端间通过第十四开关S14连接，第二套绕组的第三相绕组的正向端C2与第二开关S2和第三开关S3的公共端间通过第十五开关S15连接。

第一套绕组中的第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组之间的相位关系等同于第二套绕组中的第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组之间的相位关系，第一套绕组的第一相绕组与第二套绕组中的第一相绕组的相位差β最小，作为第一套绕组和第二套绕组的相位差，0°≤β≤60°。图3为双Y绕组的空间相位示意图，图中显示双Y绕组之间的相位差为β。

图4是多相永磁电机各绕组相切换的矢量示意图，下面以第一套绕组与第二套绕组的相位差β＝30°为例，说明调速原理，其中各相的反电势幅值与电机的转速成正比，都设置为V。

图4(a)显示为第一套绕组的第一相绕组A与第二套绕组的第二相绕组b正向串联，第一套绕组的第一相绕组A与第二套绕组的第二相绕组b的反电势的电角度相差90°，第一套绕组的第二相绕组B与第二套绕组的第三相绕组c的反电势的电角度相差90°，第一套绕组的第三相绕组C与第二套绕组的第一相绕组a的反电势的电角度相差90°，则串联后合成的三相绕组的相反电势V_all可表示为：

图4(b)显示为第一套绕组的第一相绕组A与第二套绕组的第一相绕组a正向串联，第一套绕组的第一相绕组A与第二套绕组的第一相绕组a的反电势的电角度相差30°，第一套绕组的第二相绕组B与第二套绕组的第二相绕组b的反电势的电角度相差30°，第一套绕组的第三相绕组C与第二套绕组的第三相绕组c的反电势的电角度相差30°，则串联后合成的三相绕组的相反电势V_all可表示为：

当第一套绕组与第二套绕组相互独立运行，不进行任何串并联时，则形成六相绕组的相反电势V_all可表示为：

V_all＝V

图4(c)显示为第一套绕组的第一相绕组A与第二套绕组的第三相绕组c正向串联，第一套绕组的第一相绕组A与第二套绕组的第三相绕组c的反电势的电角度相差150°，第一套绕组的第二相绕组B与第二套绕组的第一相绕组a的反电势的电角度相差150°，第一套绕组的第三相绕组C与第二套绕组的第二相绕组b的反电势的电角度相差150°，则串联后合成的三相绕组的相反电势V_all可表示为：

通过上述四种切换连接，使得电机的相反电势都各不相同，由于电压逆变器的电压极限椭圆的存在，因此采用上述四种连接方式可以得到调速系统不同的转速限值。以上连接原则适用于两套具有相位差的绕组系统，可以根据调速范围来确定两套绕组之间的相位差。以图4(c)为例，当β越小，串联合成的相反电势越小，则调速范围越大。

如图5所示，上述基于相切换的多相永磁电机调速系统的调速方法为：

第一调速阶段：即在电机转速小于或等于第一转速n1时，控制器通过控制切换电路，使第一套绕组的第一、第二和第三相绕组分别与第二套绕组的第一、第二和第三相绕组正向串联，即第一套绕组的第一相绕组的负向端X1连接第二套绕组的第一相绕组的正向端A2，第一套绕组的第二相绕组的负向端Y1连接第二套绕组的第二相绕组的正向端B2，第一套绕组的第三相绕组的负向端Z1连接第二套绕组的第三相绕组的正向端C2。具体地，切换电路中的第一至第九开关闭合，第十至第十五开关断开，如图6(a)所示。同时，控制器还使第一和第二断路器G1和G2中的一个接通母线电压，另一个与母线电压断开。在第一断路器G1接通母线电压时，控制器使第一逆变器通电工作，使第二逆变器的上桥臂或者下桥臂的三个功率管全部导通；在第二断路器G2接通母线电压时，控制器使第二逆变器通电工作，使第一逆变器的上桥臂或者下桥臂的三个功率管全部导通。此时串联绕组反电势矢量图如图4(b)所示，恒转矩运行中的转矩T1为整个恒转矩运行区域中最大的，一般为额定转矩。

第二调速阶段：即在电机转速大于第一转速n1且小于或等于第二转速n2时，控制器通过控制切换电路，使第一套绕组的第一和第二相绕组分别与第二套绕组的第二和第三相绕组正向串联，使第一套绕组的第三相绕组与第二套绕组的第一相绕组正向串联，即第一套绕组的第一相绕组的负向端X1连接第二套绕组的第二相绕组的正向端B2，第一套绕组的第二相绕组的负向端Y1连接第二套绕组的第三相绕组的正向端C2，第一套绕组的第三相绕组的负向端Z1连接第二套绕组的第一相绕组的正向端A2。具体地，切换电路中的第二和第三开关，第五和第六开关，以及第八至第十二开关闭合，第一开关，第四开关，第七开关，以及第十三至第十五开关断开，如图6(b)所示。同时，控制器还使第一和第二断路器G1和G2中的一个接通母线电压，另一个与母线电压断开。在第一断路器G1接通母线电压时，控制器使第一逆变器通电工作，使第二逆变器的上桥臂或者下桥臂的三个功率管全部导通；在第二断路器G2接通母线电压时，控制器使第二逆变器通电工作，使第一逆变器的上桥臂或者下桥臂的三个功率管全部导通。此时串联绕组反电势矢量图如图4(a)所示，恒转矩运行中的转矩T2小于T1。

第三调速阶段：即在电机转速大于第二转速n2且小于或等于第三转速n3时，控制器通过控制切换电路，使第一套绕组中的三相形成星形连接，即第一套绕组的第一相绕组的负向端X1连接第一套绕组的第二相绕组的负向端Y1和第一套绕组的第三相绕组的负向端Z1，同时使第二套绕组中的三相形成星形连接，即第二套绕组的第一相绕组的正向端A2连接第二套绕组的第二相绕组的正向端B2和第二套绕组的第三相绕组的正向端C2。具体地，切换电路中，第一组：第一开关S1和第十二开关S12，第二组：第四开关S4和第十开关S10，第三组：第七开关S7和第十一开关S11，第四组：第三开关S3和第十五开关S15，第五组：第六开关S6和第十三开关S13，第六组：第九开关S9和第十四开关S14，第一至第三组中任意两组开关关闭的同时，第四至第六组中任意两组开关关闭，第二、第五和第八开关S2、S5和S8全部断开，即可使第一套绕组和第二套绕组各自形成独立的星型连接，实现电独立，如图6(c)所示。同时，控制器还使第一和第二断路器G1和G2接通母线电压，使第一和第二逆变器同时通电工作。由于第一套绕组与第二套绕组实现了电独立，增加了调速系统的安全性和容错率。此时的恒转矩运行中的转矩T3要低于T2。

第四调速阶段：即在电机转速大于第三转速n3且小于或等于第四转速n4时，控制器通过控制切换电路，使第一套绕组的第一相绕组与第二套绕组的第三相绕组正向串联，使第一套绕组的第二和第三相绕组分别与第二套绕组的第一和第二相绕组正向串联，即第一套绕组的第一相绕组的负向端X1连接第二套绕组的第三相绕组的正向端C2，第一套绕组的第二相绕组的负向端Y1连接第二套绕组的第一相绕组的正向端A2，第一套绕组的第三相绕组的负向端Z1连接第二套绕组的第二相绕组的正向端B2。具体地，切换电路中的第一和第二开关，第四和第五开关，第七和第八开关，以及第十三至十五开关闭合，第三开关，第六开关，第九开关，以及第十至第十二开关断开，如图6(d)所示。同时，控制器还使第一和第二断路器G1和G2中的一个接通母线电压，另一个与母线电压断开。在第一断路器G1接通母线电压时，控制器使第一逆变器通电工作，使第二逆变器的上桥臂或者下桥臂的三个功率管全部导通；在第二断路器G2接通母线电压时，控制器使第二逆变器通电工作，使第一逆变器的上桥臂或者下桥臂的三个功率管全部导通。此时串联绕组反电势矢量图如图4(c)所示，恒转矩运行中的转矩T4小于T3。

多相永磁电机在上述所有调速阶段都工作在最大转矩电流比控制状态下。第一至第四转速分别为在第一至第四调速阶段，使多相永磁电机工作在最大转矩电流比控制状态下，多相永磁电机端电压达到逆变器的电压极限椭圆时的电机转速。例如，第一转速为在第一调速阶段，使多相永磁电机工作在最大转矩电流比控制状态下，多相永磁电机端电压达到逆变器的电压极限椭圆时的电机转速。

另外，由于两个逆变器是相对独立的，上述四个调速阶段中有三个调速阶段只有一个逆变器正常工作，另一个起开关导通作用，所以两个逆变器可以交替使用，从而增加了系统的寿命和容错率。

图5显示的为理想状态下的运行模式，在转速为n1、n2或n3时，转速进一步增大时，转矩发生突变，这在实际中是不可取的。在实际中可采用弱磁控制使转矩平滑过渡之后再进入对应的调速阶段。在n4之后，如果电机需要进一步提速，则需要弱磁控制或者其他措施实现。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多相永磁电机调速系统，其特征在于，包括第一逆变器、第二逆变器、切换电路、第一断路器、第二断路器和多相永磁电机；所述多相永磁电机为两套三相绕组结构；所述第一逆变器的三相输出端分别连接所述多相永磁电机的第一套绕组的三相正向端，所述第一套绕组的三相负向端通过所述切换电路分别连接所述多相永磁电机的第二套绕组的三相正向端，所述第二套绕组的三相负向端分别连接所述第二逆变器的三相输出端；所述第一逆变器和第二逆变器分别由两个独立的直流电源供电，所述第一断路器和第二断路器分别设置在所述第一逆变器和第二逆变器的直流母线的低电位端；所述切换电路用于调整所述第一套绕组和第二套绕组的连接方式，从而调整所述多相永磁电机的相反电势。

2.如权利要求1所述的多相永磁电机调速系统，其特征在于，所述切换电路包括第一至第十五开关；所述第一套绕组的第一相绕组的负向端依次通过所述第一至第三开关连接所述第二套绕组的第一相绕组的正向端，所述第一套绕组的第二相绕组的负向端依次通过所述第四至第六开关连接所述第二套绕组的第二相绕组的正向端，所述第一套绕组的第三相绕组的负向端依次通过所述第七至第九开关连接所述第二套绕组的第三相绕组的正向端；所述第一套绕组的第一相绕组的负向端与所述第四开关和第五开关的公共端间通过所述第十开关连接，所述第一套绕组的第二相绕组的负向端与所述第七开关和第八开关的公共端间通过所述第十一开关连接，所述第一套绕组的第三相绕组的负向端与所述第一开关和第二开关的公共端间通过所述第十二开关连接；所述第二套绕组的第一相绕组的正向端与所述第五开关和第六开关的公共端间通过所述第十三开关连接，所述第二套绕组的第二相绕组的正向端与所述第八开关和第九开关的公共端间通过所述第十四开关连接，所述第二套绕组的第三相绕组的正向端与所述第二开关和第三开关的公共端间通过所述第十五开关连接。

3.如权利要求1或2所述的多相永磁电机调速系统的调速方法，其特征在于，在电机转速小于或等于第一转速时，控制所述切换电路，使所述第一套绕组的第一、第二和第三相绕组分别与所述第二套绕组的第一、第二和第三相绕组正向串联，此时所述调速系统处于第一调速阶段；在电机转速大于第一转速且小于或等于第二转速时，控制所述切换电路，使所述第一套绕组的第一和第二相绕组分别与所述第二套绕组的第二和第三相绕组正向串联，使所述第一套绕组的第三相绕组与所述第二套绕组的第一相绕组正向串联，此时所述调速系统处于第二调速阶段；在电机转速大于第二转速且小于或等于第三转速时，控制所述切换电路，使所述第一套绕组和第二套绕组各自形成独立的星型连接，此时所述调速系统处于第三调速阶段；在电机转速大于第三转速且小于或等于第四转速时，控制所述切换电路，使所述第一套绕组的第一相绕组与所述第二套绕组的第三相绕组正向串联，使所述第一套绕组的第二和第三相绕组分别与所述第二套绕组的第一和第二相绕组正向串联，此时所述调速系统处于第四调速阶段；

所述第一套绕组中的第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组之间的相位关系等同于所述第二套绕组中的第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组之间的相位关系，所述第一套绕组的第一相绕组与所述第二套绕组中的第一相绕组的相位差β最小，0°≤β≤60°。

4.如权利要求3所述的调速方法，其特征在于，所述第一至第四转速分别为所述调速系统在所述第一至第四调速阶段，使所述多相永磁电机工作在最大转矩电流比控制状态下，所述多相永磁电机端电压达到逆变器的电压极限椭圆时的电机转速。

5.如权利要求3或4所述的调速方法，其特征在于，在所述第一、第二和第四调速阶段，使所述第一断路器和第二断路器中的一个接通母线电压，另一个与母线电压断开；其中，在所述第一断路器接通母线电压时，使所述第一逆变器通电工作，使所述第二逆变器的上桥臂或者下桥臂的三个功率管全部导通；在所述第二断路器接通母线电压时，使所述第二逆变器通电工作，使所述第一逆变器的上桥臂或者下桥臂的三个功率管全部导通；在所述第三调速阶段，使所述第一断路器和第二断路器接通母线电压，使所述第一逆变器和第二逆变器同时通电工作。