CN104883115A - 一种开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器及控制系统 - Google Patents

Abstract

一种开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器及控制系统，混合多电平逆变器包括与分压后不同电平直流母线相接的四电平中点钳位逆变器和三电平中点钳位逆变器，四电平中点钳位逆变器与三电平中点钳位逆变器连接三相开绕组永磁同步电机的定子绕组端口；各逆变器均包括三个相同的功率开关桥臂，每个功率开关桥臂由若干个功率开关和功率二极管组成，电机六个定子绕组端口分别与六个功率开关桥臂连接。控制系统包括与混合多电平逆变器和三相开绕组永磁同步电机连接的控制器，控制器包括矢量控制数学计算模块与矢量控制逻辑合成模块，控制器检测计算电机的转子位置，转子转速及定子电流，并向混合多电平逆变器输出调制控制信号。本发明扩展方便，控制灵活。

Description

一种开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器及控制系统

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器及控制系统。

背景技术

20世纪80年代，随着电力系统对直流输电、无功补偿、电力有源滤波和高压大功率交流电动机变频调速系统发展的需要，在工业应用领域，大功率设备的需求量越来越多，很多设备甚至已经到达兆瓦级。通常来说采用兆瓦级功率驱动的交流传动设备都会连接到中等电压网络。然而，单一的功率半导体开关是不能直接连接到中级电压网络(2.3KV,3.3KV,4.16KV,6.9KV；1-50MW)中的。因此，不同类型的多电平变换器成为了电力系统、交通系统及中高电压大功率交流变频设备驱动的解决方法。多电平变换器主要采用器件箝位或输出串联等方式将低压的功率开关器件连接在一起，利用不同的拓扑结构生成多个电压电平，实现了高电压、大功率输出。

近30年来，多电平变换器也在国内外也成为研究的热点。开绕组电机混合多电平逆变器只是将传统的三相永磁同步电机的Y型定子绕组中点打开并引出电机的机体外，将原来的三个绕组端子和引出电机的三个端子分别连接一个三相逆变器，从而构成一种双逆变器串联，定子绕组双端口供电的电机驱动系统拓扑结构。针对开相绕组电机系统的研究，早期主要考虑利用这种结构分担系统功率，从而获得多电平的供电效果，这样可以满足高电压和大功率场合的应用需求。近年来，开绕组电机混合多电平逆变器受到国内外学术界的广泛关注，是多电平变换器研究领域内研究的热点之一。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的缺陷，提供一种定子绕组输出相电压的电平数多，各个开关的工作频率和输出电压的谐波频率有效降低，能够减小逆变器的容量，系统控制灵活，弱磁输出功率大，扩展方便的开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器及控制系统。

为了实现上述目的，本发明开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器采用的技术方案为：包括与分压后的不同电平直流母线相接的四电平中点钳位逆变器以及三电平中点钳位逆变器，四电平中点钳位逆变器与三电平中点钳位逆变器连接三相开绕组永磁同步电机的定子绕组端口；所述的四电平中点钳位逆变器与三电平中点钳位逆变器均包括三个相同的功率开关桥臂，每个功率开关桥臂由若干个功率开关和功率二极管组成，三相开绕组永磁同步电机的六个定子绕组端口分别与六个功率开关桥臂连接。

所述的直流母线通过电容分压为2V_dc、4/3V_dc、V_dc、2/3V_dc和0五个电平，四电平中点钳位逆变器连接2V_dc、4/3V_dc、2/3V_dc和0四个电平，三电平中点钳位逆变器连接2V_dc、V_dc和0三个电平。

所述的四电平中点钳位逆变器的每个功率开关桥臂由六个功率开关和四个功率二极管组成，六个功率开关依次串联，四个功率二极管两个一组串联后，与第一个和第四个功率开关的输出端以及第二个和第五个功率开关的输出端连接；三电平中点钳位逆变器的每个功率开关桥臂由四个功率开关和两个功率二极管组成，四个功率开关依次串联，两个功率二极管串联后，与第一个和第三个功率开关的输出端连接。

所述的四电平中点钳位逆变器依次串联的六个功率开关首尾端连接2V_dc和0电平直流母线；串联设置在第一个和第四个功率开关输出端之间的功率二极管外接4/3V_dc电平直流母线，且接入点在两个功率二极管之间；串联设置在第二个和第五个功率开关输出端之间的功率二极管外接2/3V_dc电平直流母线，且接入点在两个功率二极管之间。

所述的三电平中点钳位逆变器依次串联的四个功率开关首尾端连接2V_dc和0电平直流母线；串联设置在第一个和第三个功率开关输出端之间的功率二极管外接V_dc电平直流母线，且接入点在两个功率二极管之间。

本发明开绕组永磁同步电机控制系统采用的技术方案为：包括经过调压整流电路与交流电网相连的混合多电平逆变器，所述的混合多电平逆变器包括多个不同电平的逆变器，且多个逆变器均连接三相开绕组永磁同步电机的定子绕组端口，混合多电平逆变器与三相开绕组永磁同步电机连接控制器，控制器包括矢量控制数学计算模块与矢量控制逻辑合成模块，控制器检测计算电机的转子位置，转子转速及定子电流，并向混合多电平逆变器输出调制控制信号。

所述的调压整流电路包括依次设置在交流电网与混合多电平逆变器之间的若干个：用于将交流市电转换为混合多电平逆变器所需幅值交流电的变压器；用于将交流电转换为混合多电平逆变器所需直流电的二极管整流桥以及电容。

所述的混合多电平逆变器包括四电平中点钳位逆变器以及三电平中点钳位逆变器，四电平中点钳位逆变器与三电平中点钳位逆变器均包括三个相同的功率开关桥臂，三相开绕组永磁同步电机的六个定子绕组端口分别与六个功率开关桥臂连接。

所述的矢量控制数学计算模块采用DSP模块，DSP模块通过PI调节检测计算出电机的转子位置，转子转速及定子电流，矢量控制逻辑合成模块采用FPGA模块，FPGA模块生成PWM波驱动混合多电平逆变器工作。

与现有技术相比，本发明开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器具有如下的有益效果：

1、本发明三相开绕组永磁同步电机一端连接到四电平中点钳位逆变器，另一端连接到三电平中点钳位逆变器，在两个逆变器的共同作用下，能够在定子绕组输出更多电平数的相电压；同时，本发明结构的逆变器能够有效降低各个开关的工作频率，减小逆变器输出电压的谐波频率。

2、本发明三相开绕组永磁同步电机的两端都能够输入功率，逆变器的直流供电电压是单逆变器的两倍，因此每个逆变器的容量仅是单逆变器的一半。

3、本发明三相开绕组永磁同步电机每相定子电流都能够由逆变器独立控制，增加了系统控制的灵活性。

4、本发明三相开绕组永磁同步电机的损耗与常规绕组Y型连接的永磁同步电机相同，无其他增加损耗。

5、本发明在弱磁方式运行下，电机能够具有更大的输出功率。

6、本发明开绕组拓扑能够进一步扩展到多相电机应用中。

与现有技术相比，本发明开绕组永磁同步电机控制系统采用的控制器，同时具有矢量控制数学计算模块与矢量控制逻辑合成模块，通过输入电机转子转速及定子电流参考和实际的误差值，输出转子坐标系下的实际直/交轴电流，再通过PWM波驱动混合多电平逆变器按照设定的控制策略工作，控制性能优异。

附图说明

图1本发明开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器拓扑结构示意图；

图2本发明开绕组永磁同步电机控制系统结构示意图；

图3本发明开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器简化拓扑结构示意图；

图4本发明逆变器输出的合成空间电压矢量分布二维分布图；

图5本发明逆变器输出的合成空间电压矢量分布三维分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1，本发明开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器主要由三部分组成：四电平中点钳位逆变器Ⅰ、三电平中点钳位逆变器Ⅱ和三相开绕组永磁同步电机Ⅲ。两个逆变器由三十个功率开关、十八个功率二极管和四个直流侧分压电容等构成。其中，逆变器由2V_dc、4/3V_dc、V_dc和2/3V_dc四个直流母线电压经过C1、C2、C3、C4四个电容供电；开绕组永磁同步电机Ⅲ包含着三个定子绕组，每个绕组引出到电机本体外都有两个端口。绕组A的端口有a和a’，绕组B的端口有b和b’，绕组C的端口有c和c’；四电平逆变器包含着三个相同的功率开关桥臂，每个桥臂由六个功率开关和四个功率二极管构成，功率开关分别为S_x1、S_x2、S_x3、S_x4、S_x5、S_x6，x＝1,2,3，功率二极管分别为D_x1、D_x2、D_x3、D_x4，x＝1,2,3。其中，功率二极管D_x1和D_x2串联到功率开关S_x1和S_x2之间和S_x4和S_x5之间，功率二极管D_x3和D_x4串联到功率开关S_x2和S_x3之间和S_x5和S_x6之间。功率二极管D_x1和D_x2之间连接到直流母线电压4/3V_dc处，功率二极管D_x3和D_x4之间连接到直流母线电压2/3V_dc处。功率开关S₁₃和S₁₄之间连接到电机端口a，功率开关S₂₃和S₂₄之间连接到电机端口b，功率开关S₃₃和S₃₄之间连接到电机端口c；三电平逆变器包含着三个相同的功率开关桥臂，每个桥臂由四个功率开关和两个功率二极管构成，功率开关分别为S_x’1’、S_x’2’、S_x’3’、S_x’4’，x＝1,2,3，功率二极管分别为D_x’1’、D_x’2’，x＝1,2,3。其中，功率二极管D_x’1’和D_x’2’串联到功率开关S_x’1’和S_x’2’之间和S_x’3’和S_x’4’之间。功率二极管D_x’1’和D_x’2’之间连接到直流母线电压V_dc处。功率开关S_1’2’和S_1’3’之间连接到电机端口a’，功率开关S_2’2’和S_2’3’之间连接到电机端口b’，功率开关S_3’2’和S_3’3’之间连接到电机端口c’。

参见图2，本发明开绕组永磁同步电机控制系统由控制器Ⅵ、混合多电平逆变器Ⅳ、三相开绕组永磁同步电机Ⅲ、供电系统等构成。在系统中，调压整流电路Ⅴ将交流市电经过TR1、TR2、TR3、TR4四个变压器转换为系统需要的四个不同幅值的交流电，再经过二极管整流桥转换为四个直流电压：2V_dc、4/3V_dc、V_dc和2/3V_dc。这四个电压分别作用在四个电容上为本发明设计的混合多电平逆变器Ⅳ供电。电机和转子位置由编码器检测得到，电机的三相绕组定子电流经电流传感器检测得到。它们分别传送到控制器Ⅵ中。在控制器中，由两个芯片完成所有控制任务：其中DSP完成大部分的矢量控制数学计算部分，FPGA完成矢量控制的逻辑合成部分，即多电平空间矢量调制策略。经过FPGA生成三十路PWM波驱动混合多电平逆变器按照设定的控制策略工作。在DSP中，包括一个转速PI调节器、两个电流PI调节器、一个dq/abc模块、一个abc/dq模块和一个转速和转子位置检测模块。转速PI调节器的输入为参考转速和实际转速的误差值，输出为参考直轴电流。电流PI调节器输入为参考直/交轴电流与实际直/交轴电流的误差，输出为参考直/交轴电压。dq/abc模块将转子坐标系下的参考直/交轴电压转换为静止坐标系下的三相定子电压。abc/dq模块将电流传感器检测得到的静止坐标系下的三相定子电流转换为转子坐标系下的实际直/交轴电流。转子位置检测模块将编码器检测得到的信号分析解算得到电机转子的实际位置和实际转速。

本发明提出的混合多电平逆变器具有以下技术特性：

(1)混合多电平逆变器主要由一个四电平中点钳位逆变器Ⅰ、一个三电平中点钳位逆变器Ⅱ和一个三相开绕组永磁同步电机Ⅲ。参见图3，该逆变器由四个直流母线电压经过四个电容供电。逆变器共包含六个功率开关桥臂。每个桥臂都可以简化为一个多路开关。其中，四电平逆变器的桥臂可以简化为一个单刀四控开关，三电平逆变器的桥臂可以简化为一个单刀三控开关。电机的三个定子绕组分别连接到一个单刀四控开关和单刀三控开关中间构成了一组特殊的功率开关桥臂。该组功率开关桥臂的输出电压，即电机任意一个绕组的相电压都由单刀四控开关和单刀三控开关的不同开关状态决定。

(2)四电平逆变器任意一个功率开关桥臂输出四个电压矢量，三电平逆变器任意一个功率开关桥臂输出三个电压矢量。这些矢量的具体特性如表1所示。

表1 常规的四电平和三电平逆变器单桥臂输出电压矢量

(3)本发明混合多电平逆变器任意一组功率开关桥臂可以输出十一个电压矢量，其中包含两个零矢量。该组桥臂指的是连接到一个电机绕组两个端口对应的一个四电平逆变器桥臂和一个三电平逆变器桥臂。这些矢量的具体特性如表2所示。其中，x＝a、b、c，V_pu为电压矢量幅值的标幺值，V_xo和V_x’o为电机端口x和x’与公共地之间的电压，V_xx’电机相电压。

表2 混合多电平逆变器单组桥臂输出的电压矢量

矢量

合成矢量

开关状态

Vpu

Vxo

Vx'o

Vxx'

1

30'

111000-0011

2

2Vdc

0

2Vdc

2

20'

011100-0011

4/3

4Vdc/3

0

4Vdc/3

3

31'

111000-0110

1

2Vdc

Vdc

Vdc

4	10'	001110-0011	2/3	2Vdc/3	0	2Vdc/3
							5	21'	011100-0110	1/3	4Vdc/3	Vdc	Vdc/3
0	00'	000111-0011	0	0	0	0
							0	32'	111000-1100	0	2Vdc	2Vdc	0
6	11'	001110-0110	-1/3	2Vdc/3	Vdc	-Vdc/3
							7	22'	011100-1100	-2/3	4Vdc/3	2Vdc	-2Vdc/3
8	01'	000111-0110	-1	0	Vdc	-Vdc
							9	12'	001110-1100	-4/3	2Vdc/3	2Vdc	-4Vdc/3
10	02'	000111-1100	-2	2Vdc	-2Vdc	-2Vdc

(4)混合多电平逆变器可以生成1728个不同幅值和角度的合成空间电压矢量，这些矢量在二维平面投影分布和三维空间分布都是具有一定规律的。如图4，所有空间电压矢量在二维投影平面上分布在11电压矢量层上的393个空间位置点里。其中，每层的电压矢量幅值分别为V_oa＝2V_dc/9,V_ob＝4V_dc/9,V_oc＝2V_dc/3,V_od＝8V_dc/9,V_oe＝5V_dc/3,V_of＝4V_dc/3,V_og＝14V_dc/9,V_oh＝16V_dc/9,V_oi＝2V_dc,V_oj＝20V_dc/9和V_ok＝8V_dc/3。所有空间电压矢量在三维空间分布上呈现五个相互平行的电压矢量平面层，如图5所示。

Claims (9)

1.一种开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器，其特征在于：包括与分压后的不同电平直流母线相接的四电平中点钳位逆变器(Ⅰ)以及三电平中点钳位逆变器(Ⅱ)，四电平中点钳位逆变器(Ⅰ)与三电平中点钳位逆变器(Ⅱ)连接三相开绕组永磁同步电机(Ⅲ)的定子绕组端口；所述的四电平中点钳位逆变器(Ⅰ)与三电平中点钳位逆变器(Ⅱ)均包括三个相同的功率开关桥臂，每个功率开关桥臂由若干个功率开关和功率二极管组成，三相开绕组永磁同步电机(Ⅲ)的六个定子绕组端口分别与六个功率开关桥臂连接。

2.根据权利要求1所述的开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器，其特征在于：所述的直流母线通过电容分压为2V_dc、4/3V_dc、V_dc、2/3V_dc和0五个电平，四电平中点钳位逆变器(Ⅰ)连接2V_dc、4/3V_dc、2/3V_dc和0四个电平，三电平中点钳位逆变器(Ⅱ)连接2V_dc、V_dc和0三个电平。

3.根据权利要求2所述的开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器，其特征在于：所述的四电平中点钳位逆变器(Ⅰ)的每个功率开关桥臂由六个功率开关和四个功率二极管组成，六个功率开关依次串联，四个功率二极管两个一组串联后，与第一个和第四个功率开关的输出端以及第二个和第五个功率开关的输出端连接；三电平中点钳位逆变器(Ⅱ)的每个功率开关桥臂由四个功率开关和两个功率二极管组成，四个功率开关依次串联，两个功率二极管串联后，与第一个和第三个功率开关的输出端连接。

4.根据权利要求3所述的开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器，其特征在于：所述的四电平中点钳位逆变器(Ⅰ)依次串联的六个功率开关首尾端连接2V_dc和0电平直流母线；串联设置在第一个和第四个功率开关输出端之间的功率二极管外接4/3V_dc电平直流母线，且接入点在两个功率二极管之间；串联设置在第二个和第五个功率开关输出端之间的功率二极管外接2/3V_dc电平直流母线，且接入点在两个功率二极管之间。

5.根据权利要求3所述的开绕组永磁同步电机混合多电平逆变器，其特征在于：所述的三电平中点钳位逆变器(Ⅱ)依次串联的四个功率开关首尾端连接2V_dc和0电平直流母线；串联设置在第一个和第三个功率开关输出端之间的功率二极管外接V_dc电平直流母线，且接入点在两个功率二极管之间。

6.一种开绕组永磁同步电机控制系统，其特征在于：包括经过调压整流电路(Ⅴ)与交流电网相连的混合多电平逆变器(Ⅳ)，所述的混合多电平逆变器(Ⅳ)包括多个不同电平的逆变器，且多个逆变器均连接三相开绕组永磁同步电机(Ⅲ)的定子绕组端口，混合多电平逆变器(Ⅳ)与三相开绕组永磁同步电机(Ⅲ)连接控制器(Ⅵ)，控制器(Ⅵ)包括矢量控制数学计算模块与矢量控制逻辑合成模块，控制器(Ⅵ)检测计算电机的转子位置，转子转速及定子电流，并向混合多电平逆变器(Ⅳ)输出调制控制信号。

7.根据权利要求6所述的开绕组永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述的调压整流电路(Ⅴ)包括依次设置在交流电网与混合多电平逆变器(Ⅳ)之间的若干个：用于将交流市电转换为混合多电平逆变器(Ⅳ)所需幅值交流电的变压器；用于将交流电转换为混合多电平逆变器(Ⅳ)所需直流电的二极管整流桥以及电容。

8.根据权利要求6所述的开绕组永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述的混合多电平逆变器(Ⅳ)包括四电平中点钳位逆变器(Ⅰ)以及三电平中点钳位逆变器(Ⅱ)，四电平中点钳位逆变器(Ⅰ)与三电平中点钳位逆变器(Ⅱ)均包括三个相同的功率开关桥臂，三相开绕组永磁同步电机(Ⅲ)的六个定子绕组端口分别与六个功率开关桥臂连接。

9.根据权利要求6所述的开绕组永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述的矢量控制数学计算模块采用DSP模块，DSP模块通过PI调节检测计算出电机的转子位置，转子转速及定子电流，矢量控制逻辑合成模块采用FPGA模块，FPGA模块生成PWM波驱动混合多电平逆变器(Ⅳ)工作。