CN105048925B - 一种基于永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，永磁同步电机绕组切换装置具有n套绕组，同时对应n个主回路单元，通过4n‑4个开关共同作用，实现n套绕组的串并联切换。绕组串联运行，若转速达到切换条件，绕组由串联切换至并联；绕组并联运行，若转速达到切换条件，电压减小，直至满足电压切换条件，绕组由并联切换至串联。本发明具有如下特点：降低了切换系统的成本，提高了切换系统的可靠性；提高电机运行效率，扩展了电机的调速范围，并且使主回路容量的需求减小；提出了切换转速的选取原则；提出了一种减少切换过程中暂态冲击电流的切换控制方法。

Description

一种基于永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法
技术领域
本发明涉及永磁电机及其控制技术领域。
背景技术
永磁同步电机具有结构简单、无电刷和滑环，无电励磁系统，运行可靠性高、功率密度大、电机的形状和尺寸灵活多样等多种显著优点。符合节能减排的经济发展需要，它不仅可以部分替代传统的电励磁电机，而且可以实现电励磁电机难以达到的高效率。因此永磁同步电机在电动汽车等要求较高的调速驱动系统中得到了广泛的应用。就目前的发展程度看，永磁电机与感应电机相比，由于其永磁体励磁难以调节，弱磁扩速能力较差，不易满足电动汽车宽的调速范围的要求；另一方面，低速运行时，受空间限制，电机体积不能过大，但是又要求产生大扭矩，需要的电流就比较大，逆变器电流容量要求高，有时候没有这样大容量的逆变器或者大容量的逆变器体积大且昂贵。
现有的技术方案中：
1)如国外的文献公开了一种关于绕组切换的装置，该装置通过切换开关，选择绕组匝数(两套绕组串联运行/一套绕组运行)。低速运行时，要产生大扭矩，两套绕组串联运行，增加绕组匝数，产生大扭矩。高速运行时，仅运行一套绕组，减少绕组反电动势。该方案的本质是绕组切除装置，高速运行时，丢一套绕组，材料利用不充分，并且切换系统成本较高。
2)又如国内的文献公开了一种关于绕组切换的系统，该系统在低速时，采用单逆变器双绕组运行；在中速时，采用双逆变器双绕组运行；在高速时，先利用弱磁控制方法对永磁同步电机端电压进行限制，然后进行绕组切换，采用单逆变器单绕组运行。该系统采用的是双逆变器电路，系统工作模式灵活多变，可以是单逆变器工作，也可以是双逆变器工作，具有一定的容错能力。该方案本质也是交流侧绕组切除，绕组切换开关数量较多，并且逆变器也需要切换开关，由此切换系统成本更高。
3)现目前多数采用的绕组切换电路，通过切换开关控制三相绕组的串并联的方案。这种方案的切换控制方法是供电电流不变，绕组由并联变为串联，同样供电电流时，虽然逆变器额定电流不变，但每套绕组承受的电流增加了1倍，电动机只能短时工作；一相绕组的切换需要3个切换开关，三相电机的绕组切换就需要9个切换开关，多相电机的绕组切换需要的切换开关就更多。切换开关过多，电路过于复杂、成本就随之提升。
发明内容
本发明的目的是在不增加逆变器容量的前提下，通过永磁电机控制系统的直流侧串并联切换，改变绕组等效的串联匝数，解决逆变器和电源电压容量有限的问题，从而解决永磁电机高速运行时反电势高的问题，提高系统的调速范围。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，永磁同步电机绕组切换装置包括n个主回路单元、n套绕组和4n-4个开关，其中n≥2。
令i＝1,2,3，…n。
第i个主回路单元包括第1i绝缘栅双极晶体管V1i、第2i绝缘栅双极晶体管V2i、第3i绝缘栅双极晶体管V3i、第4i绝缘栅双极晶体管V4i、第5i绝缘栅双极晶体管V5i和第6i绝缘栅双极晶体管V6i。
第i套绕组由绕组Ai、绕组Bi和绕组Ci采用星型接法的连接而成。所述第i个主回路单元具有五个端子，即a1i端、a2i端、a3i端、a4i端、a5i端。每个主回路单元均对应一个电动势为UDC/n的电源。第i个电源的正极为b1i端，负极为b2i端。
所述第1i绝缘栅双极晶体管V1i的集电极连接a1i端，其发射极连接第4i绝缘栅双极晶体管V4i的集电极。所述第4i绝缘栅双极晶体管V4i的发射极连接a2i端。
所述第3i绝缘栅双极晶体管V3i的集电极连接a1i端，其发射极连接第6i绝缘栅双极晶体管V6i的集电极。所述第6i绝缘栅双极晶体管V6i的发射极连接a2i端。
所述第5i绝缘栅双极晶体管V5i的集电极连接a1i端。其发射极连接第2i绝缘栅双极晶体管V2i的集电极。所述第2i绝缘栅双极晶体管V2i的发射极连接a2i端。
所述a3i端位于第1i绝缘栅双极晶体管V1i的发射极与第4i绝缘栅双极晶体管V4i的集电极之间。所述a4i端位于第3i绝缘栅双极晶体管V3i的发射极与第6i绝缘栅双极晶体管V6i的集电极之间。所述a5i端位于第5i绝缘栅双极晶体管V5i的发射极与第2i绝缘栅双极晶体管V2i的集电极之间。所述绕组Ai的一端连接a3i端。所述绕组Bi的一端连接a4i端。所述绕组Ci的一端连接a5i端。
所述4n-4个开关包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、……第4n-4开关S4n-4。
所述第一开关S1的两端分别连接a21端和b21端。
所述第二开关S2的两端分别连接a12端和b12端。
所述第三开关S3的两端分别连接a21端和a2n端。
所述第四开关S4的两端分别连接a11端和a12端。
所述第五开关S5的两端分别连接a22端和b22端。
所述第六开关S6的两端分别连接a13端和b13端。
所述第七开关S7的两端分别连接a22端和a2n端。
所述第八开关S8的两端分别连接a11端和a13端。
……
所述第4n-7开关S4n-7的两端分别连接a2(n-1)端和b2(n-1)端。
所述第4n-6开关S4n-6的两端分别连接a1n端和b1n端。
所述第4n-5开关S4n-5的两端分别连接a2(n-1)端和a2n端。
所述第4n-4开关S4n-4的两端分别连接a11端和a1n端。
所述a11端与b11端连接。所述a2n端b2n端连接。
所述b21端与b12端连接。所述b22端与b13端连接。……所述b2(n-1)端与b1n端连接。
每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，即脉宽调制器。所述PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号。
基于上述永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，即绕组串并联的切换控制方法；当绕组串联运行，若转速变化直至转速m≥m1时，绕组由串联切换至并联；当绕组并联运行，若转速满足m≤m2，调节电压至u≤u切时，绕组由并联切换到串联；其中m1为绕组由串联切换至并联的转速切换条件，m2为绕组由并联切换至串联的转速切换条件；u切为电压切换条件。
本发明还提供一种具体包括两个主回路单元的技术方案，一种基于永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，永磁同步电机绕组切换装置包括两个主回路单元、两套绕组和四个开关。
第一个主回路单元包括第十一绝缘栅双极晶体管V11、第二十一绝缘栅双极晶体管V21、第三十一绝缘栅双极晶体管V31、第四十一绝缘栅双极晶体管V41、第五十一绝缘栅双极晶体管V51和第六十一绝缘栅双极晶体管V61。所述第一个主回路单元具有五个端子，即a11端、a21端、a31端、a41端、a51端。
第二个主回路单元包括第十二绝缘栅双极晶体管V12、第二十二绝缘栅双极晶体管V22、第三十二绝缘栅双极晶体管V32、第四十二绝缘栅双极晶体管V42、第五十二绝缘栅双极晶体管V52和第六十二绝缘栅双极晶体管V62。所述第二个主回路单元具有五个端子，即a12端、a22端、a32端、a42端、a52端。
每个主回路单元均对应一个电动势为UDC/2的电源。第一个电源的正极为b11端，负极为b21端。第二个电源的正极为b12端，负极为b22端。
第一套绕组由绕组A1、绕组B1和绕组C1采用星型接法连接而成。第二套绕组由绕组A2、绕组B2和绕组C2采用星型接法连接而成。所述三个切换开关即第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4。
所述第十一绝缘栅双极晶体管V11的集电极连接a11端，其发射极连接第四十一绝缘栅双极晶体管V41的集电极。所述第四十一绝缘栅双极晶体管V41的发射极连接a21端。所述第三十一绝缘栅双极晶体管V31的集电极连接a11端，其发射极连接第六十一绝缘栅双极晶体管V61的集电极。所述第六十一绝缘栅双极晶体管V61的发射极连接a21端。所述第五十一绝缘栅双极晶体管V51的集电极连接a11端。其发射极连接第二十一绝缘栅双极晶体管V21的集电极。所述第二十一绝缘栅双极晶体管V21的发射极连接a21端。
所述a31端位于第十一绝缘栅双极晶体管V11的发射极与第四十一绝缘栅双极晶体管V41的集电极之间。所述a41端位于第三十一绝缘栅双极晶体管V31的发射极与第六十一绝缘栅双极晶体管V61的集电极之间。所述a51端位于第五十一绝缘栅双极晶体管V51的发射极与第二十一绝缘栅双极晶体管V21的集电极之间。所述绕组A1的一端连接a31端。所述绕组B1的一端连接a41端。所述绕组C1的一端连接a51端。
所述第十二绝缘栅双极晶体管V12的集电极连接a12端，其发射极连接第四十二绝缘栅双极晶体管V42的集电极。所述第四十二绝缘栅双极晶体管V42的发射极连接a22端。所述第三十二绝缘栅双极晶体管V32的集电极连接a12端，其发射极连接第六十二绝缘栅双极晶体管V62的集电极。所述第六十二绝缘栅双极晶体管V62的发射极连接a22端。所述第五十二绝缘栅双极晶体管V52的集电极连接a12端，其发射极连接第二十二绝缘栅双极晶体管V22的集电极。所述第二十二绝缘栅双极晶体管V22的发射极连接a22端。
所述a32端位于第十二绝缘栅双极晶体管V12的发射极与第四十二绝缘栅双极晶体管V42的集电极之间。所述a42端位于第三十二绝缘栅双极晶体管V32的发射极与第六十二绝缘栅双极晶体管V62的集电极之间。所述a52端位于第五十二绝缘栅双极晶体管V52的发射极与第二十二绝缘栅双极晶体管V22的集电极之间。所述绕组A2的一端连接a32端。所述绕组B2的一端连接a42端。所述绕组C2的一端连接a52端。
所述第一开关S1的两端分别连接a21端和b21端。所述第二开关S2的两端分别连接a12端和b12端。所述第三开关S3的两端分别连接a21端和a22端。所述第四开关S4的两端分别连接a11端和a12端。
所述a11端与b11端连接。所述a22端与b22端连接。所述b21端与b12端连接。
每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，即脉宽调制器。所述PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号。
当第一开关S1和第二开关S2导通，第三开关S3和第四开关S4断开时，所述两套绕组是串联连接，此时对应低速。当第一开关S1和第二开关S2断开，第三开关S3和第四开关S4导通时，所述两套绕组是并联连接，此时对应高速。
基于上述永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，即绕组串并联的切换控制方法；当绕组串联运行，若转速变化直至转速m≥m1时，绕组由串联切换至并联；当绕组并联运行，若转速满足m≤m2，调节电压至u≤u切时，绕组由并联切换到串联；其中m1为绕组由串联切换至并联的转速切换条件，m2为绕组由并联切换至串联的转速切换条件；u切为电压切换条件。
进一步，n套绕组为完全相同的永磁同步电机的定子绕组。绕组Ai为同一相绕组，绕组Bi为同一相绕组，绕组Ci为同一相绕组。
进一步，切换转速m的选取原则为通过最大转矩电流比(MTPA)方式下，电机在恒定的切换转速下运行时，绕组串联运行与并联运行具有相近的端电流；绕组的空载反电动势不能超过逆变器安全运行的限定值。
本发明的技术方案具有如下效果：
1、绕组切换处于直流侧，(两套绕组的电路中)所需切换开关仅为4个，降低了切换系统成本，提高了切换系统的可靠性；
2、绕组串联运行时，直流母线电流较小，降低了功率开关电流容量的需求，减小了蓄电池放电电流，增加蓄电池的使用寿命；
3、绕组并联运行时，解决了电源电压容量有限的问题，降低对永磁电机弱磁扩速能力的要求，提高了电机高速大功率运行时的效率，从而拓展了电机的调速范围；
4、经过有限元仿真计算，切换开关置于直流侧的绕组切换电路能够实现电动机高速运行，电机运行性能得到进一步提高，适合于电动汽车驱动。
附图说明
图1为本专利具有n套绕组时的绕组切换原理图；
图2为本专利具有两套绕组时的绕组切换原理图；
图3为主回路单元驱动信号原理图；
图4为主回路单元驱动信号的波形图；
图5为两套绕组串联电路图；
图6为两套绕组并联电路图；
图7为驱动电路的功率分配示意图；
图8为绕组切换控制方法流程图；
图9为两套绕组嵌放位置示意图；
图10为单相绕组连接示意图；
图11为转速变化曲线；
图12为串并联开关状态(1表示闭合，0表示断开)；
图13为两套绕组相电流波形图；
图14为电机线电压有效值变化曲线；
图15为电磁转矩波形图；
图16为变绕组结构永磁同步电动机仿真电路图；
图17为选取最佳转速时的串联仿真电路图；
图18为选取最佳转速时的并联仿真电路图；
图19为选取最佳转速时绕组串并联下相电流与转速的关系曲线。
图中：第十一绝缘栅双极晶体管V11、第二十一绝缘栅双极晶体管V21、第三十一绝缘栅双极晶体管V31、第四十一绝缘栅双极晶体管V41、第五十一绝缘栅双极晶体管V51、第六十一绝缘栅双极晶体管V61、第十二绝缘栅双极晶体管V12、第二十二绝缘栅双极晶体管V22、第三十二绝缘栅双极晶体管V32、第四十二绝缘栅双极晶体管V42、第五十二绝缘栅双极晶体管V52、第六十二绝缘栅双极晶体管V62、绕组A1、绕组B1、绕组C1、绕组A2、绕组B2、绕组C2、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
一种基于永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，参见图1，永磁同步电机绕组切换装置包括n个主回路单元、n套绕组和4n-4个开关，其中n≥2。
令i＝1,2,3，…n。
第i个主回路单元包括第1i绝缘栅双极晶体管V1i、第2i绝缘栅双极晶体管V2i、第3i绝缘栅双极晶体管V3i、第4i绝缘栅双极晶体管V4i、第5i绝缘栅双极晶体管V5i和第6i绝缘栅双极晶体管V6i。
第i套绕组由绕组Ai、绕组Bi和绕组Ci采用星型接法的连接而成。所述第i个主回路单元具有五个端子，即a1i端、a2i端、a3i端、a4i端、a5i端。每个主回路单元均对应一个电动势为UDC/n的电源。第i个电源的正极为b1i端，负极为b2i端。
所述第1i绝缘栅双极晶体管V1i的集电极连接a1i端，其发射极连接第4i绝缘栅双极晶体管V4i的集电极。所述第4i绝缘栅双极晶体管V4i的发射极连接a2i端。
所述第3i绝缘栅双极晶体管V3i的集电极连接a1i端，其发射极连接第6i绝缘栅双极晶体管V6i的集电极。所述第6i绝缘栅双极晶体管V6i的发射极连接a2i端。
所述第5i绝缘栅双极晶体管V5i的集电极连接a1i端。其发射极连接第2i绝缘栅双极晶体管V2i的集电极。所述第2i绝缘栅双极晶体管V2i的发射极连接a2i端。
所述a3i端位于第1i绝缘栅双极晶体管V1i的发射极与第4i绝缘栅双极晶体管V4i的集电极之间。所述a4i端位于第3i绝缘栅双极晶体管V3i的发射极与第6i绝缘栅双极晶体管V6i的集电极之间。所述a5i端位于第5i绝缘栅双极晶体管V5i的发射极与第2i绝缘栅双极晶体管V2i的集电极之间。所述绕组Ai的一端连接a3i端。所述绕组Bi的一端连接a4i端。所述绕组Ci的一端连接a5i端。
所述4n-4个开关包括第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、……第4n-4开关S4n-4。
所述第一开关S1的两端分别连接a21端和b21端。
所述第二开关S2的两端分别连接a12端和b12端。
所述第三开关S3的两端分别连接a21端和a2n端。
所述第四开关S4的两端分别连接a11端和a12端。
所述第五开关S5的两端分别连接a22端和b22端。
所述第六开关S6的两端分别连接a13端和b13端。
所述第七开关S7的两端分别连接a22端和a2n端。
所述第八开关S8的两端分别连接a11端和a13端。
……
所述第4n-7开关S4n-7的两端分别连接a2(n-1)端和b2(n-1)端。
所述第4n-6开关S4n-6的两端分别连接a1n端和b1n端。
所述第4n-5开关S4n-5的两端分别连接a2(n-1)端和a2n端。
所述第4n-4开关S4n-4的两端分别连接a11端和a1n端。
按照上述连接规律，即本专利的电路连接中四个开关作为一个循环。
所述a11端与b11端连接。所述a2n端b2n端连接。
所述b21端与b12端连接。所述b22端与b13端连接。……所述b2(n-1)端与b1n端连接。即每个电源相互串联在一起。
每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，即脉宽调制器。所述PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号。
基于上述永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，即绕组串并联的切换控制方法，具体流程图参见图8。当绕组串联运行，若转速变化直至转速m≥m1时，绕组由串联切换至并联。当绕组并联运行，若转速满足m≤m2，调节电压至u≤u切时(即转速达到切换条件时，就降低电压，一旦电压达到切换条件)，绕组由并联切换到串联。其中m1为绕组由串联切换至并联的转速切换条件，m2为绕组由并联切换至串联的转速切换条件。m1和m2的取值在最佳切换转速左右，即m±Δm，其中Δm取值不能过小，防止转速波动过程中出现连续切换。u切为电压切换条件，因绕组由并联切换至串联时，电流不能突变，电压翻倍，而实际电压可能满足不了要求，故当转速达到切换条件时，首先将电压降低，这样一旦电压达到切换条件，绕组切换至串联，电压不会超限。
其中切换转速m的选取原则如下：
1)绕组的空载反电动势不能超过逆变器安全运行的限定值。
2)通过最大转矩电流比(MTPA)方式下，电机在恒定的切换转速下运行时，绕组串联运行与并联运行具有相近的端电流；
参见图2，具体的以两套绕组串并联切换为例，一种基于永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，永磁同步电机绕组切换装置包括两个主回路单元、两套绕组和四个切换开关。
第一个主回路单元包括第十一绝缘栅双极晶体管V11、第二十一绝缘栅双极晶体管V21、第三十一绝缘栅双极晶体管V31、第四十一绝缘栅双极晶体管V41、第五十一绝缘栅双极晶体管V51和第六十一绝缘栅双极晶体管V61。所述第一个主回路单元具有五个端子，即a11端、a21端、a31端、a41端、a51端。
第二个主回路单元包括第十二绝缘栅双极晶体管V12、第二十二绝缘栅双极晶体管V22、第三十二绝缘栅双极晶体管V32、第四十二绝缘栅双极晶体管V42、第五十二绝缘栅双极晶体管V52和第六十二绝缘栅双极晶体管V62。所述第二个主回路单元具有五个端子，即a12端、a22端、a32端、a42端、a52端。
每个主回路单元均对应一个电动势为UDC/2的电源。第一个电源的正极为b11端，负极为b21端。第二个电源的正极为b12端，负极为b22端。
第一套绕组由绕组A1、绕组B1和绕组C1采用星型接法连接而成。第二套绕组由绕组A2、绕组B2和绕组C2采用星型接法连接而成。
所述三个切换开关即第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4。
所述第十一绝缘栅双极晶体管V11的集电极连接a11端，其发射极连接第四十一绝缘栅双极晶体管V41的集电极。所述第四十一绝缘栅双极晶体管V41的发射极连接a21端。所述第三十一绝缘栅双极晶体管V31的集电极连接a11端，其发射极连接第六十一绝缘栅双极晶体管V61的集电极。所述第六十一绝缘栅双极晶体管V61的发射极连接a21端。所述第五十一绝缘栅双极晶体管V51的集电极连接a11端。其发射极连接第二十一绝缘栅双极晶体管V21的集电极。所述第二十一绝缘栅双极晶体管V21的发射极连接a21端。
所述a31端位于第十一绝缘栅双极晶体管V11的发射极与第四十一绝缘栅双极晶体管V41的集电极之间。所述a41端位于第三十一绝缘栅双极晶体管V31的发射极与第六十一绝缘栅双极晶体管V61的集电极之间。所述a51端位于第五十一绝缘栅双极晶体管V51的发射极与第二十一绝缘栅双极晶体管V21的集电极之间。所述绕组A1的一端连接a31端。所述绕组B1的一端连接a41端。所述绕组C1的一端连接a51端。
所述第十二绝缘栅双极晶体管V12的集电极连接a12端，其发射极连接第四十二绝缘栅双极晶体管V42的集电极。所述第四十二绝缘栅双极晶体管V42的发射极连接a22端。所述第三十二绝缘栅双极晶体管V32的集电极连接a12端，其发射极连接第六十二绝缘栅双极晶体管V62的集电极。所述第六十二绝缘栅双极晶体管V62的发射极连接a22端。所述第五十二绝缘栅双极晶体管V52的集电极连接a12端，其发射极连接第二十二绝缘栅双极晶体管V22的集电极。所述第二十二绝缘栅双极晶体管V22的发射极连接a22端。
所述a32端位于第十二绝缘栅双极晶体管V12的发射极与第四十二绝缘栅双极晶体管V42的集电极之间。所述a42端位于第三十二绝缘栅双极晶体管V32的发射极与第六十二绝缘栅双极晶体管V62的集电极之间。所述a52端位于第五十二绝缘栅双极晶体管V52的发射极与第二十二绝缘栅双极晶体管V22的集电极之间。所述绕组A2的一端连接a32端。所述绕组B2的一端连接a42端。所述绕组C2的一端连接a52端。
所述第一开关S1的两端分别连接a21端和b21端。所述第二开关S2的两端分别连接a12端和b12端。所述第三开关S3的两端分别连接a21端和a22端。所述第四开关S4的两端分别连接a11端和a12端。
所述a11端与b11端连接。所述a22端与b22端连接。所述b21端与b12端连接。
每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，即脉宽调制器。所述PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号。参见图3，U、V和W三相的PWM控制器公用一个三角载波uc，三相的调制信号urU、urV、和urW依次相差120°电角度。其中U、V和W各相功率开关器的控制规律相同。以第一主回路单元的U相为例，当urU＞uc时，给第十一绝缘栅双极晶体管V11以导通信号，给第十四绝缘栅双极晶体管V14以关断信号，则U相对于直流电源假想中点的输出电压N′的输出电压uUN′＝Ud/2。当urU＜uc时，给第十四绝缘栅双极晶体管V14以导通信号，给第十一绝缘栅双极晶体管V11以关断信号，则uUN′＝-Ud/2。第十一绝缘栅双极晶体管V11和第十四绝缘栅双极晶体管V14的驱动信号始终是互补的。V相及W相的控制方式都和U相相同，其具体波形图参见图4。第二个主回路单元的控制方式与第一个主回路相同。
当第一开关S1导通和第二开关S2导通、第三开关S3和第四开关S4断开时，所述两套绕组是串联连接，直流侧的两个电源分别与交流侧关于电机转速为变量的绕组反电势EI和EII相平衡， 此时对应低速。当第一开关S1和第二开关S2断开、第三开关S3和第四开关S4导通时，所述两套绕组是并联连接，直流侧电源UDC与交流侧关于电机转速为变量的绕组反电势EI′、EII′相平衡，EI′＝EII′＝UDC，此时对应高速。仅仅通过S1、S2、S3和S4四个开关的控制，即可实现绕组串并联的切换。(表示直流侧电源电压，EI和EII分别表示串联时第一主回路单元和第二主回路单元交流侧关于电机转速为变量的绕组反电势，EI′和EII′分别表示并联时第一主回路单元和第二主回路单元交流侧关于电机转速为变量的绕组反电势)
需要说明的是，本发明为了选取最佳转速进行切换控制，提供了一种确定切换转速的方法：首先反电动势不能超过逆变器安全运行允许限定值1400V，在此基础上，找出使得串联绕组与并联绕组端电流相近的转速，即最佳切换转速。
具体的，参见图9，利用绕组设计(设计参数见下文)建立的变绕组结构永磁同步电动机2D有限元模型(低速运行时绕组匝数30匝，高速运行时绕组匝数15匝)，在电动机全运行范围内(0～9000rpm)进行仿真实验，采用最大转矩电流比(MTPA)的控制方式，且电动机在额定转速3000rpm以下恒转矩(额定转矩1114.08N.m)运行，额定转速3000rpm以上恒功率(额定功率350kW)运行。其串联仿真电路如图17所示，并联仿真电路如图18所示，仿真结果如表1和表2所示：
表1绕组串联不同转速下的性能参数
表2绕组并联不同转速下的性能参数
为了更方便的观察转速与电流的变化关系，由表1和表2可以得出如图19所示的转速与电流关系曲线。
结合表1、表2及图19可以看出，电机在6000rpm及以上转速运行时，串联绕组与并联绕组具有相近的端电流，且电机绕组串联在6000rpm运行时线反电动势最大值为1381.8V，接近逆变器安全运行允许限定值1400V，故可供选择的最优切换转速在6000rpm左右，本文选择6000rpm作为绕组由低速串联运行到高速并联运行(或高速并联运行到低速串联运行)的最佳切换转速。
综上所述，变绕组结构永磁同步电动机绕组串并联切换转速的选择原则如下：1、绕组的空载反电动势不能超过逆变器安全运行的限定值；2、最大转矩电流比(MTPA)方式下，绕组串联运行与并联运行具有相近的端电流。
即本专利选取最佳切换转速m＝6000rpm，选择Δm＝100rpm，因此m1＝6100rpm、m2＝5900rpm、
其绕组切换过程如下：
电机转速较低时，绕组处于直流侧串联运行状态，当电机转速达到串联切换到并联的转速点m1，也就是6100rpm时，串联开关S1与S2断开，同时并联开关S3与S4闭合，电机绕组直接切换到直流侧并联运行状态；此时由于直流侧电压升高，电机输出定子电压升高，所需弱磁电流逐渐减小。
电机转速较高时，绕组处于直流侧并联运行状态，当电机转速达到并联切换到串联的转速点m2，也就是5900rpm时，首先通过增大弱磁电流来减小电机定子电压，当电机定子电压小于u切，也就是时，并联开关S3与S4断开，同时串联开关S1与S2闭合，电机绕组切换到直流侧串联运行状态；此时由于直流侧电压降低，电机输出定子电压减小，所需弱磁电流逐渐增大。
具体在350kw运行时切换过程仿真波形分析及电路参见图11至图17，由转速变化曲线可以看出0.2～0.3s，转速由6000rpm上升到6100rpm；0.3～0.5s，转速维持在6100rpm；0.5～0.6s，转速由6100rpm降低到5900rpm；0.6～0.8s，转速维持在5900rpm。
从串并联开关状态可以看出，0.3s时刻，串联开关S1与S2断开，同时并联开关S3与S4闭合；0.65s时刻，串联开关S1与S2闭合，同时并联开关S3与S4断开。
当转速达到6100rpm时，也就是0.3s时刻时，串并联开关开始切换，电机直流侧电压升高，所需弱磁电流减小，所以绕组相电流减小。
当转速减小到5900rpm时，也就是0.6s时刻时，虽然转速达到切换条件，但是电机定子电压大于此时开关没有动作，当电机定子电压减小到时，即0.65s时刻，串并联开关开始动作，电机直流侧电压降低，所需弱磁电流增大，所以绕组相电流增大。
由电磁转矩波形图可以看出绕组由串联切换到并联、由并联切换到串联的过程中转矩平滑，冲击较小。
上述分析了整个绕组的切换过程，验证了该切换控制方法的可行性，降低了逆变器电流容量限定值，即可以选择容量相对较低、价格便宜的功率管，达到降低电机驱动系统体积、重量及制造成本的目的。进一步说明将变绕组结构思想应用于电动汽车用永磁同步电动机时，通过电机有效串并联匝数的改变，可满足电动汽车不同运行状态要求时，降低驱动系统容量、体积、重量、制造成本，从而提高系统的整体效率。
本实施例中，所有绝缘栅双极晶体管的型号为FF1400R17TP4。所有切换开关的型号为FZ1200R17HE4。
单套绕组的设计参数如下表：
参数 取值 参数 取值
并联支路数 8 槽满率 36.38％
每槽导体数 10 每相串联匝数 15
节距 8 端部电阻(ohm) 0.0051
并绕根数 15 端部电感(H) 1.61e-005
线径(mm) 0.8
所采用的电机设计参数如下表：
参数 数值 参数 数值
额定功率(kw) 350 额定电压(V) 633
额定转速(rpm) 3000 额定转矩(N·m) 1114.08
最高转速(rpm) 9000 最大反电势(V) 1400
电机的主要参数如下表：
参数 取值 参数 取值
极数 8 气隙(mm) 1.5
定子内径(mm) 303 转子内径(mm) 160
定子外径(mm) 470 叠压系数 0.95
其中绕组A1B1C1和A2B2C2为两套完全相同的永磁同步电机的定子绕组。绕组A1和A2为同一相绕组，B1和B2为同一相绕组，C1和C2为同一相绕组，共同构成永磁电机的三相绕组。两套绕组嵌放位置如图9所示，采用双层叠绕、短距分布布置，其中具体的A相绕组的连接图如图10所示。
本发明的基本原理：
将绕组切换方案从交流侧变为直流侧切换，使得开关数量从9个减小为4个，降低了切换系统的成本，提高了切换系统的可靠性。
电机低速大转矩输出时，绕组串联运行；高速大功率运行时，绕组并联运行，采用两套独立运行的三相功率主回路，提高电机系统的容错能力。
电机低速大转矩输出时，绕组串联运行，参见图5，此时由于绕组串联，电机每相等效匝数加倍，所需直流母线电压加倍，输出相同转矩时，绕组电流和直流母线电流相应减小，降低了功率开关电流容量的需求，降低了功率器件的成本。
电机高速大功率运行时，绕组并联运行，参见图6，此时由于绕组并联，电机等效匝数相对于串联时减少，电机反电势相应减少，较高转速时，所需直流母线电压亦减少，降低了电机高速运行时对弱磁电流的需求，提高了电机高速大功率运行时的效率，因此，直流母线电压能够支撑永磁同步电机在较高转速下的大功率运行，从而大大拓展了电机的调速范围。
驱动电路，与两套三相绕组的构成有关，如两套绕组由原来的一套三相绕组裂相而成，则两套三相绕组的参数和在电机铁心内的安装位置完全相同，此情况下，两套绕组对应的两套驱动电路的驱动信号应完全相同，可以采用将驱动信号分为两路来驱动两套主回路开关，参见图7，相应增加驱动电路的驱动功率即可。
绕组切换的工作过程：
串并联绕组切换过程，对于裂相而成的两套绕组切换过程，
1)永磁电机由低速切换到高速，即绕组原先串联，然后切换到并联状态。
原先绕组串联，第一开关S1和第二开关S2闭合，并且第三开关S3和第四开关S4断开，此时直流侧的两个电源分别与交流侧关于电机转速为变量的绕组反电势EI和EII相平衡；
然后，第一开关S1和第二开关S2断开，同时第三开关S3和第四开关S4闭合，此时绕组处于并联状态。UDC与EI、EII要平衡，当UDC＞EI、EII时，没有冲击。由于要求UDC＞EI、EII，此时串联切换到并联的切换转速m1可以较高。
2)永磁电机由高速切换到低速，即绕组原先并联，然后切换到串联状态。
原先绕组并联，第一开关S1和第二开关S2断开，同时第三开关S3和第四开关S4闭合，此时直流侧电源UDC与交流侧关于电机转速为变量的绕组反电势EI′、EII′相平衡；
然后，第一开关S1和第二开关S2闭合，同时第三开关S3和第四开关S4断开，此时绕组处于串联状态。分别要与EI′和EII′相平衡；由于要求且此时并联切换到串联的转速m2较低，才能无冲击。(在整个过程中，所有开关S1、S2、S3和S4均需同时动作，否则电机输出转矩会不稳定)
本发明创造相对于背景技术的主要不同点：
1.绕组切换处于直流侧，切换开关仅为4个，降低了切换系统的成本，提高了切换系统的可靠性；
2.电机高速大功率运行时，绕组并联运行，直流母线电压也减小，降低电机高速运行时对弱磁电流的需求，提高电机运行效率，扩展了电机的调速范围；
3.两套绕组使用两个主回路，每个主回路容量的需求减小，系统容错能力增强；
4.提出了切换转速的选取原则；
5.提出了一种减少切换过程中暂态冲击电流的切换控制方法，利用Matlab/Simulink搭建切换电路，并在负载情况下对电机绕组进行变结构切换，观测切换前后电机性能变化及切换过渡过程中的冲击大小，进而对切换电路以及切换控制方法进行验证。

Claims (4)

1.一种基于永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，其特征在于：永磁同步电机绕组切换装置包括n个主回路单元、n套绕组和4n-4个开关，其中n≥2；
令i＝1,2,3，…n；
第i个主回路单元包括第1i绝缘栅双极晶体管(V1i)、第2i绝缘栅双极晶体管(V2i)、第3i绝缘栅双极晶体管(V3i)、第4i绝缘栅双极晶体管(V4i)、第5i绝缘栅双极晶体管(V5i)和第6i绝缘栅双极晶体管(V6i)；
第i套绕组由绕组Ai、绕组Bi和绕组Ci采用星型接法的连接而成；所述第i个主回路单元具有五个端子，即a1i端、a2i端、a3i端、a4i端、a5i端；每个主回路单元均对应一个电动势为UDC/n的电源；第i个电源的正极为b1i端，负极为b2i端；
所述第1i绝缘栅双极晶体管(V1i)的集电极连接a1i端，其发射极连接第4i绝缘栅双极晶体管(V4i)的集电极；所述第4i绝缘栅双极晶体管(V4i)的发射极连接a2i端；
所述第3i绝缘栅双极晶体管(V3i)的集电极连接a1i端，其发射极连接第6i绝缘栅双极晶体管(V6i)的集电极；所述第6i绝缘栅双极晶体管(V6i)的发射极连接a2i端；
所述第5i绝缘栅双极晶体管(V5i)的集电极连接a1i端；其发射极连接第2i绝缘栅双极晶体管(V2i)的集电极；所述第2i绝缘栅双极晶体管(V2i)的发射极连接a2i端；
所述a3i端位于第1i绝缘栅双极晶体管(V1i)的发射极与第4i绝缘栅双极晶体管(V4i)的集电极之间；所述a4i端位于第3i绝缘栅双极晶体管(V3i)的发射极与第6i绝缘栅双极晶体管(V6i)的集电极之间；所述a5i端位于第5i绝缘栅双极晶体管(V5i)的发射极与第2i绝缘栅双极晶体管(V2i)的集电极之间；所述绕组Ai的一端连接a3i端；所述绕组Bi的一端连接a4i端；所述绕组Ci的一端连接a5i端；
所述4n-4个开关包括第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)、……第4n-4开关(S4n-4)；
所述第一开关(S1)的两端分别连接a21端和b21端；
所述第二开关(S2)的两端分别连接a12端和b12端；
所述第三开关(S3)的两端分别连接a21端和a2n端；
所述第四开关(S4)的两端分别连接a11端和a12端；
所述第五开关(S5)的两端分别连接a22端和b22端；
所述第六开关(S6)的两端分别连接a13端和b13端；
所述第七开关(S7)的两端分别连接a22端和a2n端；
所述第八开关(S8)的两端分别连接a11端和a13端；
……
所述第4n-7开关(S4n-7)的两端分别连接a2(n-1)端和b2(n-1)端；
所述第4n-6开关(S4n-6)的两端分别连接a1n端和b1n端；
所述第4n-5开关(S4n-5)的两端分别连接a2(n-1)端和a2n端；
所述第4n-4开关(S4n-4)的两端分别连接a11端和a1n端；
所述a11端与b11端连接；所述a2n端b2n端连接；
所述b21端与b12端连接；所述b22端与b13端连接；……所述b2(n-1)端与b1n端连接；
每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，即脉宽调制器；所述PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号；
基于上述永磁同步电机绕组切换装置的控制方法，即绕组串并联的切换控制方法；当绕组串联运行，若转速变化直至转速m≥m1时，绕组由串联切换至并联；当绕组并联运行，若转速满足m≤m2，调节电压至u≤u切时，绕组由并联切换到串联；其中m1为绕组由串联切换至并联的转速切换条件，m2为绕组由并联切换至串联的转速切换条件；u切为电压切换条件。
2.根据权利要求1所述一种基于永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，其特征在于：n套绕组为完全相同的永磁同步电机的定子绕组；绕组Ai为同一相绕组，绕组Bi为同一相绕组，绕组Ci为同一相绕组。
3.一种基于永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，其特征在于：永磁同步电机绕组切换装置包括两个主回路单元、两套绕组和四个开关；
第一个主回路单元包括第十一绝缘栅双极晶体管(V11)、第二十一绝缘栅双极晶体管(V21)、第三十一绝缘栅双极晶体管(V31)、第四十一绝缘栅双极晶体管(V41)、第五十一绝缘栅双极晶体管(V51)和第六十一绝缘栅双极晶体管(V61)；所述第一个主回路单元具有五个端子，即a11端、a21端、a31端、a41端、a51端；
第二个主回路单元包括第十二绝缘栅双极晶体管(V12)、第二十二绝缘栅双极晶体管(V22)、第三十二绝缘栅双极晶体管(V32)、第四十二绝缘栅双极晶体管(V42)、第五十二绝缘栅双极晶体管(V52)和第六十二绝缘栅双极晶体管(V62)；所述第二个主回路单元具有五个端子，即a12端、a22端、a32端、a42端、a52端；
每个主回路单元均对应一个电动势为UDC/2的电源；第一个电源的正极为b11端，负极为b21端；第二个电源的正极为b12端，负极为b22端；
第一套绕组由绕组A1、绕组B1和绕组C1采用星型接法连接而成；第二套绕组由绕组A2、绕组B2和绕组C2采用星型接法连接而成；所述四个开关即第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)和第四开关(S4)；
所述第十一绝缘栅双极晶体管(V11)的集电极连接a11端，其发射极连接第四十一绝缘栅双极晶体管(V41)的集电极；所述第四十一绝缘栅双极晶体管(V41)的发射极连接a21端；所述第三十一绝缘栅双极晶体管(V31)的集电极连接a11端，其发射极连接第六十一绝缘栅双极晶体管(V61)的集电极；所述第六十一绝缘栅双极晶体管(V61)的发射极连接a21端；所述第五十一绝缘栅双极晶体管(V51)的集电极连接a11端；其发射极连接第二十一绝缘栅双极晶体管(V21)的集电极；所述第二十一绝缘栅双极晶体管(V21)的发射极连接a21端；
所述a31端位于第十一绝缘栅双极晶体管(V11)的发射极与第四十一绝缘栅双极晶体管(V41)的集电极之间；所述a41端位于第三十一绝缘栅双极晶体管(V31)的发射极与第六十一绝缘栅双极晶体管(V61)的集电极之间；所述a51端位于第五十一绝缘栅双极晶体管(V51)的发射极与第二十一绝缘栅双极晶体管(V21)的集电极之间；所述绕组A1的一端连接a31端；所述绕组B1的一端连接a41端；所述绕组C1的一端连接a51端；
所述第十二绝缘栅双极晶体管(V12)的集电极连接a12端，其发射极连接第四十二绝缘栅双极晶体管(V42)的集电极；所述第四十二绝缘栅双极晶体管(V42)的发射极连接a22端；所述第三十二绝缘栅双极晶体管(V32)的集电极连接a12端，其发射极连接第六十二绝缘栅双极晶体管(V62)的集电极；所述第六十二绝缘栅双极晶体管(V62)的发射极连接a22端；所述第五十二绝缘栅双极晶体管(V52)的集电极连接a12端，其发射极连接第二十二绝缘栅双极晶体管(V22)的集电极；所述第二十二绝缘栅双极晶体管(V22)的发射极连接a22端；
所述a32端位于第十二绝缘栅双极晶体管(V12)的发射极与第四十二绝缘栅双极晶体管(V42)的集电极之间；所述a42端位于第三十二绝缘栅双极晶体管(V32)的发射极与第六十二绝缘栅双极晶体管(V62)的集电极之间；所述a52端位于第五十二绝缘栅双极晶体管(V52)的发射极与第二十二绝缘栅双极晶体管(V22)的集电极之间；所述绕组A2的一端连接a32端；所述绕组B2的一端连接a42端；所述绕组C2的一端连接a52端；
所述第一开关(S1)的两端分别连接a21端和b21端；所述第二开关(S2)的两端分别连接a12端和b12端；所述第三开关(S3)的两端分别连接a21端和a22端；所述第四开关(S4)的两端分别连接a11端和a12端；
所述a11端与b11端连接；所述a22端与b22端连接；所述b21端与b12端连接；
每个绝缘栅双极晶体管的基极均连接PWM信号控制器，即脉宽调制器；所述PWM信号控制器给予每个绝缘栅双极晶体管驱动信号；
当第一开关(S1)和第二开关(S2)导通，第三开关(S3)和第四开关(S4)断开时，所述两套绕组是串联连接，此时对应低速；当第一开关(S1)和第二开关(S2)断开，第三开关(S3)和第四开关(S4)导通时，所述两套绕组是并联连接，此时对应高速；
基于上述永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，即绕组串并联的切换控制方法；当绕组串联运行，若转速变化直至转速m≥m1时，绕组由串联切换至并联；当绕组并联运行，若转速满足m≤m2，调节电压至u≤u切时，绕组由并联切换到串联；其中m1为绕组由串联切换至并联的转速切换条件，m2为绕组由并联切换至串联的转速切换条件；u切为电压切换条件。
4.根据权利要求1或3所述一种基于永磁同步电机绕组切换装置的切换控制方法，其特征在于：切换转速m的选取原则为通过最大转矩电流比(MTPA)方式下，电机在恒定的切换转速下运行时，绕组串联运行与并联运行具有相近的端电流；绕组的空载反电动势不能超过逆变器安全运行的限定值。
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