CN104270062A - 开放式绕组感应电机3h桥驱动系统 - Google Patents

Abstract

开放式绕组感应电机3H桥驱动系统，属于电机控制领域，本发明为解决现有开放式绕组感应电机采用双逆变器的调制算法复杂的问题。本发明方案：整流器输出的直流母线上依次并联直流滤波电容、A、B和C相H桥逆变器相；开放式绕组感应电机的每相绕组并联在A、B或C相H桥逆变器的两个交流输出端之间；V/F控制器接收转速指令n_r，V/F控制器输出三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr给双极性SPWM调制，双极性SPWM调制将其与三角载波信号比较后产生6路开关信号，再经隔离与驱动单元输出12路驱动信号给A、B和C相H桥逆变器。

Description

开放式绕组感应电机3H桥驱动系统

技术领域

本发明涉及一种电机的驱动系统，属于电机控制领域。

背景技术

感应电机变频调速系统广泛应用于工业拖动、电力机车牵引等领域。传统感应电机的绕组为星形连接，采用两电平逆变器供电，直流电压利用率较低。为提高逆变器输出电压，出现了二极管钳位型、飞跨电容型、级联型等多电平逆变器拓扑，这些多电平逆变器存在所用器件多、结构与控制复杂、电容电压需要均衡控制等问题，限制了其应用。为解决上述问题，可将电机绕组中性点拆分开，形成三相独立的开放式绕组感应电机，由3个H桥单相逆变器为三相绕组供电，形成3H桥逆变器驱动拓扑。采用3H桥供电的开放式绕组感应电机系统能够将直流母线电压提高一倍；另外，由于三相绕组独立进行控制，当其中一相出现故障后系统仍可采取措施容错运行，提高了系统运行的可靠性。

三相开放式绕组电机驱动拓扑，通常被看作两个三相两电平逆变器的级联，将两个逆变器的开关管统一考虑，从双逆变器的角度去实现SVPWM调制，调制算法较为复杂。另外，双逆变器输出的空间电压矢量中大部分伴随零序电压，零序电压如不加以控制会导致严重的零序电流，增加系统损坏，占用逆变器容量，甚至使系统无法正常运行。

发明内容

本发明目的是为了解决现有开放式绕组感应电机采用双逆变器的调制算法复杂的问题，提供了一种开放式绕组感应电机3H桥驱动系统的驱动控制器。

本发明所述开放式绕组感应电机3H桥驱动系统的驱动控制器，它包括整流器、直流滤波电容、3H桥逆变器、V/F控制器、双极性SPWM调制和隔离与驱动单元；3H桥逆变器由A相H桥逆变器、B相H桥逆变器和C相H桥逆变器构成；

整流器输出的直流母线上依次并联直流滤波电容、A相H桥逆变器、B相H桥逆变器和C相H桥逆变器；

开放式绕组感应电机的A相绕组并联在A相H桥逆变器的两个交流输出端之间；

开放式绕组感应电机的B相绕组并联在B相H桥逆变器的两个交流输出端之间；

开放式绕组感应电机的C相绕组并联在C相H桥逆变器的两个交流输出端之间；

V/F控制器接收转速指令n_r，V/F控制器输出三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr给双极性SPWM调制，双极性SPWM调制将输入的三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr与三角载波信号比较后产生6路开关信号，再经隔离与驱动单元输出12路驱动信号给A相H桥逆变器、B相H桥逆变器和C相H桥逆变器。

本发明的优点：将传统三相星接绕组感应电机的中性点拆分开，形成三相绕组可以独立控制的开放式绕组感应电机，并采用三个共直流母线的H桥单相逆变器为三相绕组供电，对每个H桥进行独立的双极性SPWM控制，三相调制波为相位互差120°的正弦波，使得系统零序电压仅含有高频分量，从而达到简化逆变器调制策略、抑制系统零序电流的目的。

本发明简化了开放式绕组感应电机所用逆变器的调制策略，抑制系统零序电流，提高系统运行性能。

附图说明

图1为本发明的开放式绕组感应电机3H桥驱动主电路拓扑图；图2为本发明的开放式绕组感应电机3H桥驱动系统框图；图3为本发明的A相双极性SPWM调制波形；图4为本发明的A相H桥逆变器开关信号连接图；图5为本发明的电机三相绕组电压和电流仿真波形。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述开放式绕组感应电机3H桥驱动系统的驱动控制器，它包括整流器1、直流滤波电容2、3H桥逆变器、V/F控制器7、双极性SPWM调制8和隔离与驱动单元9；3H桥逆变器由A相H桥逆变器3、B相H桥逆变器4和C相H桥逆变器5构成；

整流器1输出的直流母线上依次并联直流滤波电容2、A相H桥逆变器3、B相H桥逆变器4和C相H桥逆变器5；

开放式绕组感应电机6的A相绕组并联在A相H桥逆变器3的两个交流输出端之间；

开放式绕组感应电机6的B相绕组并联在B相H桥逆变器4的两个交流输出端之间；

开放式绕组感应电机6的C相绕组并联在C相H桥逆变器5的两个交流输出端之间；

V/F控制器7接收转速指令n_r，V/F控制器7输出三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr给双极性SPWM调制8，双极性SPWM调制8将输入的三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr与三角载波信号比较后产生6路开关信号，再经隔离与驱动单元9输出12路驱动信号给A相H桥逆变器3、B相H桥逆变器4和C相H桥逆变器5。

参见图1，整流器1将输入的交流电转换为直流电，并经过直流滤波电容2变为稳定的直流电压；直流母线上并联A相H桥逆变器3、B相H桥逆变器4和C相H桥逆变器5构成3H桥逆变器。

开放式绕组感应电机6的三相绕组中性点被拆分开，三相绕组分别由3个H桥单相逆变器供电。与星接绕组相比电机绕组电压可以提高一倍。

A相H桥逆变器3、B相H桥逆变器4和C相H桥逆变器5的结构相同，均由四只自带反并联体二极管的功率管构成。

所述功率管可以采用IGBT管、MOSFET管等。

每个H桥逆变器中对角线上的两个功率管开关信号相同，同一桥臂上下两个功率管的开关信号互补。

三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr的相位差依次为120°。

具体实施方式二：下面结合图3至图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，双极性SPWM调制8对3H桥逆变器的控制由DSP数字实现，控制流程为：

V/F控制器7根据速度指令n_r计算出电机所需电压的幅值和频率，进而分别产生三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr；DSP的定时器T1用于产生固定幅值和频率的三角载波；三相正弦调制波与三角载波比较产生6路PWM开关信号。

图3为本发明的a相双极性SPWM调制波形。通过在DSP中正弦调制波u_ar与定时器T1产生三角波u_t的比较，得到两路互补PWM信号PWM1和PWM2。对于b相和c相，同样的方法分别得到互补信号PWM3和PWM4、PWM5和PWM6。

图4为a相H桥逆变器的PWM开关信号连接图。对于a相H桥逆变器，PWM1经过驱动单元控制T11和T22，PWM2经过驱动单元控制T12和T21；对于b相H桥逆变器，PWM3经过驱动单元控制T13和T24，PWM4经过驱动单元控制T14和T23；对于c相H桥逆变器，PWM5经过驱动单元控制T15和T26，PWM6经过驱动单元控制T16和T25。这样，每个H桥逆变器对角线上的功率管开关信号相同，同桥臂上下管的开关信号互补。

图5为采用本发明控制方法的开放式绕组感应电机三相电压低通滤波仿真波形和三相电流仿真波形，三相电压和电流正弦对称，零序电压和零序电流得到了抑制。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，V/F控制器7根据速度指令n_r计算出电机所需电压的幅值和频率，进而分别产生三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr的过程为：

首先，根据速度指令n_r和电机额定转差率s_N计算出同步转速n_s：

$n_s=\frac{n_r}{1-s_N};$

其次，将同步转速n_s转换为电机定子电流频率f₁：

式中，p为电机极对数；

然后，根据感应电机电压和频率的约束关系，计算在频率f₁下电机相电压幅值U_m：

这里N₁为定子每相绕组总匝数，k_w1为绕组系数，Ф_N为额定磁通；

最后，根据电压幅值U_m和频率f₁，产生三相对称正弦调制波：

这里U_dc为直流母线电压，U_tm为三角载波信号u_t的幅值。

Claims (6)

1.开放式绕组感应电机3H桥驱动系统，其特征在于，它包括整流器(1)、直流滤波电容(2)、3H桥逆变器、V/F控制器(7)、双极性SPWM调制(8)和隔离与驱动单元(9)；3H桥逆变器由A相H桥逆变器(3)、B相H桥逆变器(4)和C相H桥逆变器(5)构成；

整流器(1)输出的直流母线上依次并联直流滤波电容(2)、A相H桥逆变器(3)、B相H桥逆变器(4)和C相H桥逆变器(5)；

开放式绕组感应电机(6)的A相绕组并联在A相H桥逆变器(3)的两个交流输出端之间；

开放式绕组感应电机(6)的B相绕组并联在B相H桥逆变器(4)的两个交流输出端之间；

开放式绕组感应电机(6)的C相绕组并联在C相H桥逆变器(5)的两个交流输出端之间；

V/F控制器(7)接收转速指令n_r，V/F控制器(7)输出三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr给双极性SPWM调制(8)，双极性SPWM调制(8)将输入的三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr与三角载波信号比较后产生6路开关信号，再经隔离与驱动单元(9)输出12路驱动信号给A相H桥逆变器(3)、B相H桥逆变器(4)和C相H桥逆变器(5)。

2.根据权利要求1所述开放式绕组感应电机3H桥驱动系统的驱动控制器，其特征在于，A相H桥逆变器(3)、B相H桥逆变器(4)和C相H桥逆变器(5)的结构相同，均由四只自带反并联体二极管的功率管构成。

3.根据权利要求2所述开放式绕组感应电机3H桥驱动系统的驱动控制器，其特征在于，每个H桥逆变器中对角线上的两个功率管开关信号相同，同一桥臂上下两个功率管的开关信号互补。

4.根据权利要求1所述开放式绕组感应电机3H桥驱动系统的驱动控制器，其特征在于，三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr的相位差依次为120°。

5.根据权利要求1所述开放式绕组感应电机3H桥驱动系统的驱动控制器，其特征在于，双极性SPWM调制(8)对3H桥逆变器的控制由DSP数字实现，控制流程为：

V/F控制器(7)根据速度指令n_r计算出电机所需电压的幅值和频率，进而分别产生三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr；DSP的定时器T1用于产生固定幅值和频率的三角载波；三相正弦调制波与三角载波比较产生6路PWM开关信号。

6.根据权利要求5所述开放式绕组感应电机3H桥驱动系统的驱动控制器，其特征在于，V/F控制器(7)根据速度指令n_r计算出电机所需电压的幅值和频率，进而分别产生三相对称正弦调制波u_ar,u_br,u_cr的过程为：

首先，根据速度指令nr和电机额定转差率s_N计算出同步转速n_s：

$n_s=\frac{n_r}{1-s_N};$

其次，将同步转速n_s转换为电机定子电流频率f₁：

式中，p为电机极对数；

然后，根据感应电机电压和频率的约束关系，计算在频率f₁下电机相电压幅值U_m：这里N₁为定子每相绕组总匝数，k_w1为绕组系数，Ф_N为额定磁通；

最后，根据电压幅值U_m和频率f₁，产生三相对称正弦调制波：

这里U_dc为直流母线电压，U_tm为三角载波信号u_t的幅值。