CN105529977B - 一种用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统及方法，其中，该方法包括：根据三相交流电机的三相电流，利用空间电压矢量调制分别控制三相四桥臂逆变电路中四个桥臂的开关管开通或关断；当处于某一扇区内的某一有效空间电压矢量状态时，如果三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流都不等于0，关断第四桥臂的开关管，执行第一续流模式，产生第一续流；如果相应两相电流至少有一相等于0，开通第四桥臂的开关管，执行第二续流模式，产生第二续流；根据三相电流的实时状态，通过调节第四桥臂的开关管的开关状态控制执行第一或第二续流模式，在三相交流电机侧产生一个反向的零轴电压，降低零轴的平均电压，抑制零序电流。

Description

一种用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统及方法

技术领域

本发明属于电机驱动控制领域，尤指一种用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统及方法。

背景技术

现有的带中性线的三相交流电机的控制系统中，针对提高系统的性能主要是通过复杂的拓扑结构，这样的控制相对复杂，导致系统的鲁棒性受限。

其中，控制系统主要采用方法有以下两种：1、增加电路元件：中性线引出线上加装隔离开关，以切断一些电机中性线上的谐波电流大小和分布情况。或者中性线引出线上加装电抗器，但将引起负荷中性点偏离，加大三相电压的不平衡度；2、复杂的电路结构与控制方法：通过选用结构复杂的电路和控制算法，实现抑制三相电机零线上的零序电流。

对于方法1中存在的问题，是容易增加系统拓扑结构的复杂性和成本。而方法2中各种改进的闭环控制算法，由于算法复杂，降低了系统的鲁棒性；同时需要增加额外的检测、保护电路，从而带来额外的元器件成本。另外，中性线上的零序电流成份如果过大，容易影响电机的寿命和效率，严重时可能烧毁中性线，同时由于高次谐波电流作用于导线上，则使导线产生集肤效应，使导线载流量下降。由于制造上的原因，要从电机结构上完全克服零序电流是有困难的，因此必须从电机的运行方式及系统上采取措施限制零序电流。

发明内容

对于现有技术中存在的无法完全克服零序电流的问题，本发明针对带中性线的三相交流电机的新型四开关电路的控制，基于传统两电平空间电压矢量调制的方法，根据本系统电路的特点，构建出一种新型的空间电压矢量结构图和空间电压矢量调制方法；同时在各个扇区内灵活地配置新旧电压矢量，从而达到抑制零序电流，实现三相电机电流对称输出的目的。

为达到上述目的，本发明提出了一种用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统，包括：用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统，包括：整流单元、直流母线电容、逆变单元、三相交流电机，其中，所述整流单元，用于接入外部交流电，并将其整流为直流电；所述直流母线电容，与整流单元并联连接；所述逆变单元连接整流单元及三相交流电机，包括：三相四桥臂逆变电路、逆变电路控制模块；其中，所述三相四桥臂逆变电路，用于将所述直流电逆变为交流电，驱动三相交流电机，包括四个桥臂，所述四个桥臂之间并联连接；第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的上桥为二极管，下桥为开关管，这三个桥臂中的上桥和下桥之间的连接点分别连接三相交流电机的其中一相；第四桥臂的上桥为开关管，下桥为另一个二极管，所述第四桥臂中的上桥和下桥之间的连接点连接三相交流电机的中性端；所述逆变电路控制模块，用于根据所述三相交流电机的三相电流，利用空间电压矢量调制分别控制所述四个桥臂的开关管开通或关断；在所述空间电压矢量调制的某一扇区内，当处于某一有效空间电压矢量状态时，如果所述三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流都不等于0，关断第四桥臂的开关管，执行第一续流模式，产生第一续流；如果所述三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流至少有一相等于0，开通第四桥臂的开关管，执行第二续流模式，产生第二续流；根据所述三相交流电机的三相电流的实时状态，通过调节第四桥臂的开关管的开关状态控制执行第一续流模式或第二续流模式，在所述三相交流电机侧产生一个反向的零轴电压，降低零轴的平均电压，抑制零序电流。

为达到上述目的，本发明提出了一种用于三相交流电机的抑制零序电流的控制方法，包括：根据所述三相交流电机的三相电流，利用空间电压矢量调制分别控制三相四桥臂逆变电路中四个桥臂的开关管开通或关断；在所述空间电压矢量调制的某一扇区内，当处于某一有效空间电压矢量状态时，如果所述三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流都不等于0，关断第四桥臂的开关管，执行第一续流模式，产生第一续流；如果所述三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流至少有一相等于0，开通第四桥臂的开关管，执行第二续流模式，产生第二续流；根据所述三相交流电机的三相电流的实时状态，通过调节第四桥臂的开关管的开关状态控制执行第一续流模式或第二续流模式，在所述三相交流电机侧产生一个反向的零轴电压，降低零轴的平均电压，抑制零序电流。

本发明提出的用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统及方法提供了驱动带中性线的三相交流电机驱动的电路方案，通过新型的空间电压矢量调制方法，有效地抑制了带中性线的三相交流电机系统中固有的零序电流，从而能大大降低传统带中性线的三相交流电机的驱动电路的成本，并且更有利于拓宽带中性线的三相交流电机的驱动电路拓扑的应用领域。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明一实施例的用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统结构示意图。

图2A及图2B为图1的控制系统的两种电路结构示意图。

图3A为现有的三开关空间电压矢量调制示意图。

图3B为本发明的四开关空间电压矢量调制示意图。

图4A为本发明一具体实施例中第一续流模式和第二续流模式选择原则的示意图。

图4B为本发明一具体实施例中第一续流模式下的续流走向示意图。

图4C为本发明一具体实施例中第二续流模式下的续流走向示意图。

图5A为一具体实施例中第I扇区的一个开关周期的电压矢量状态示意图。

图5B为对应图5A中一个开关周期的零序电压示意图。

具体实施方式

以下配合图式及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

图1为本发明一实施例的用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统结构示意图。图2A及图2B为图1的控制系统电路结构示意图。结合图1、图2A及图2B所示，该控制系统包括：整流单元1、直流母线电容2、逆变单元3、三相交流电机4，其中，

整流单元1，用于接入外部交流电5，并将其整流为直流电；

直流母线电容2，与整流单元1并联连接，可采用大容值的电解电容，若系统有更长使用寿命和更高性能可靠性等的需求，可以采用小容值的薄膜电容；

逆变单元3连接整流单元1及三相交流电机4，包括：三相四桥臂逆变电路31、逆变电路控制模块32；其中，

三相四桥臂逆变电路31，用于将直流电逆变为交流电，驱动三相交流电机4，包括四个桥臂，四个桥臂之间并联连接；

第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的上桥为二极管(如图2A所示，分别为D1、D2、D3)，下桥为开关管(如图2A所示，开关管分别为Q1、Q2、Q3，分别内含一个反并联的二极管)，这三个桥臂中的上桥和下桥之间的连接点分别连接三相交流电机4的其中一相；

第四桥臂的上桥为开关管Q4(内含一个反并联的二极管)，下桥为另一个二极管D4，第四桥臂中的上桥和下桥之间的连接点连接三相交流电机4的中性端；

根据三相交流电机4的三相电流，逆变电路控制模块32用于实现电机驱动闭环控制，结合图3B所示，利用空间电压矢量调制(SVPWM)分别控制采样逆变电路31中的四个桥臂的开关管开通或关断；

在空间电压矢量调制的某一扇区内，当处于某一空间电压矢量状态时，如果三相交流电机4中矢量状态发生变化的相应两相电流都不等于0，关断第四桥臂的开关管Q4，执行第一续流模式，产生第一续流；

如果三相交流电机4中矢量状态发生变化的相应两相电流中至少有一相等于0，开通第四桥臂的开关管，执行第二续流模式，产生第二续流；

根据三相交流电机的三相电流的实时状态，通过调节第四桥臂的开关管的开关状态控制执行第一续流模式或第二续流模式，在三相交流电机侧产生一个反向的零轴电压，降低零轴的平均电压，抑制零序电流。

其中，在三相交流电机侧产生的反向的零轴电压可抵消其他电压矢量产生的正向的零轴电压，从而在整个开关周期中降低零轴的平均电压，实现抑制零序电流。

至此，整个电路通过AC/DC/AC的电能变换及相应的控制策略，实现了带中性线的三相交流电机4的驱动控制，同时抑制了零序电流。

本发明的控制系统不会增加额外的硬件成本，而且因为变换器的电路结构相对简单，因此相比较于传统的带中性线的三相交流电机的控制系统，本发明涉及的变换器电路能减小电路系统的成本，同时保持相当的系统性能。

在本实施例中，外部交流电5包括：三相电源或者单相电源。

整流单元1包括：滤波电路(图未示)、整流电路11；整流电路11可为三相有源功率因数校正电路、单相有源功率因数校正电路，或三相/单相无源整流电路。

在另一实施例中，如图2B所示，整流单元1还包括整流电路控制模块12，其通过采集闭环控制所需要的电路采样反馈信号，控制其中的开关管工作；但是，当此处电路采用无源整流电路时，则整流电路控制模块12可省略。

在本实施例中，三相四桥臂电路31中的开关管可选用IGBT或MOSFET等有源开关管，二极管需选用快速恢复二极管。

图3A为现有的三开关空间电压矢量调制示意图。如图3A所示，空间电压矢量调制包括6个扇区，在现有的技术中，根据逆变电路中第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的开关管的开通或关断的情况，除了零矢量之外，还包括6个有效空间电压矢量状态：011、001、101、100、110、010；其中，1为开通，0为关断。

图3B为本发明的四开关空间电压矢量调制示意图。如图3B所示，本发明的空间电压矢量调制包括6个扇区以及12个有效空间电压矢量状态。

如下所述，本发明结合图3B所示的空间电压矢量调制的方法，提出了以下续流模式选择原则。

其中，在空间电压矢量调制的某一扇区内，当处于某一有效空间电压矢量状态时，如果三相交流电机4中矢量状态发生变化的相应两相电流都不等于0，关断第四桥臂的开关管Q4，执行第一续流模式，产生第一续流，其中，加入第四桥臂后的6个有效空间电压矢量状态包括：0110、0010、1010、1000、1100、0100；

如果三相交流电机4中矢量状态发生变化的相应两相电流至少有一相等于0，开通第四桥臂的开关管Q4，执行第二续流模式，产生第二续流，其中，加入第四桥臂后的6个有效空间电压矢量状态包括：0111、0011、1011、1001、1101、0101。

本发明的控制方法主要是：通过控制开关管Q4的开关状态，在传统的两电平六矢量的基础上，构建一个新型的空间电压矢量结构分布，即对每个既有的电压矢量分别增加一个有效的新电压矢量，新矢量的作用时间与传统两电平空间电压矢量调制中的电压矢量的计算方法相同。从而在原有6个U1～U6电压矢量增加了6个新的电压矢量。再根据电路实际运行情况，在各个扇区灵活地配置这些矢量，在电机侧产生一个反向的零轴电压，来抵消其他电压矢量产生的正向的零轴电压，在整个开关周期中降低零轴的平均电压，从而抑制中性线上的零序电流。

本发明的逆变电路在现有技术中一般应用于开关磁阻电机的驱动，本发明将其改用于驱动带中性线的三相交流电机。三相交流电机可以是三相永磁电机，也可以是其它三相交流电机。

在本发明的控制系统提出了针对带中性线的三相交流电机系统的空间电压矢量调制方法，此空间电压矢量调制方法可以有效地抑制三相交流电机系统的零序电流，从而使电机输出三相正弦化的对称电流。

此控制系统是将传统用于开关磁阻机驱动的四开关逆变电路改用于驱动带中性线的三相永磁交流同步电机，从而实现系统的低成本化要求。

另外，通过分析电机的逆变电路的新特点，基于传统两电平空间电压矢量的调制原理，提出了一种分别在各个扇区衍生出有效的新电压矢量，从而构成一种新型的针对带中性线的三相交流电机驱动的空间电压矢量结构图，根据三相电流的实时情况，针对每个扇区选用合理的电压矢量的规则，从而实现抑制电机零轴的零序电流。

本发明的控制系统能有效地解决带中性线的三相交流电机系统固有的零序电压/电流的问题，从而改善系统的输出性能，提高电机的效率，最大限度地满足相关产品的国际标准和行业标准。同时，本发明的控制系统能有效降低带中性线的三相交流电机的驱动电路的成本，并拓宽带其的应用领域。

为了对上述用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统进行更为清楚的解释，下面结合一个具体的实施例来进行说明，然而值得注意的是该实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明不当的限定。

本发明的空间电压矢量调制方法中的开关电压矢量的选择规则是通过对应相的电流状态，分别执行不同的续流模式，从而利用开关管的续流状态替换各开关管的通电状态的方法来降低零序电流。

结合图3B，以扇区I为例具体说明本发明续流模式选择原则及抑制零序电流的方法。

扇区的开关矢量根据对应相的电流大小来选择：

例如在扇区I中，续流模式选择原则如图4A所示。

当处于U4状态时，a相和b相电流不等于0，则选用0110，迫使电路执行第一续流模式(如图4B所示)。

当处于在U5状态时，如果a相或b相电流降为了0，则电路执行第二续流模式，用0011状态来补偿(如图4C所示)。

此时的扇区I对应的有效非零电压矢量分别是0110和0011，这两个电压矢量与零矢量0000就构成了扇区I的矢量分布。结合图5A及图5B所示，进而得到这一个开关周期中，零轴电压的变化情况，由图5B可知若T1与T2相等，则零轴电压将趋于零值，从而实现了抑制零序电流。

在本实施例中，如果新矢量对应的相电流降为了0，即无法实现续流，此时需要使用原矢量。

在前述实施例的基础上，本发明还提出了一种用于三相交流电机的抑制零序电流的控制方法，包括：

根据三相交流电机的三相电流，利用空间电压矢量调制分别控制三相四桥臂逆变电路中四个桥臂的开关管开通或关断；

在空间电压矢量调制的某一扇区内，当处于某一有效空间电压矢量状态时，如果三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流都不等于0，关断第四桥臂的开关管，执行第一续流模式，产生第一续流；

如果三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流至少有一相等于0，开通第四桥臂的开关管，执行第二续流模式，产生第二续流；

根据三相交流电机的三相电流的实时状态，通过调节第四桥臂的开关管的开关状态控制执行第一续流模式或第二续流模式，在三相交流电机侧产生一个反向的零轴电压，降低零轴的平均电压，抑制零序电流。

在本实施例中，前述四个桥臂里的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂中开关管的开通或关断的情况，除了零矢量之外，还包括6个有效空间电压矢量状态：011、001、101、100、110、010；其中，1为开通，0为关断；

在空间电压矢量调制的某一扇区内，当处于某一有效空间电压矢量状态时，如果三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流都不等于0，关断第四桥臂的开关管，执行第一续流模式，产生第一续流，其中，加入第四桥臂后的6个有效空间电压矢量状态包括：0110、0010、1010、1000、1100、0100；

如果三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流至少有一相等于0，开通第四桥臂的开关管，执行第二续流模式，产生第二续流，其中，加入第四桥臂后的6个有效空间电压矢量状态包括：0111、0011、1011、1001、1101、0101。

本发明的控制系统中，结合图2A、图2B所示，其中，三相四桥臂逆变电路31的四个桥臂上桥和下桥的器件可以调换位置，也就是第一、二、三桥臂上桥为开关管，第四桥臂下桥为开关管，这样也可以通过调制方法控制实现抑制零序电流。该电路在电路器件的成本上没有变化，但是其所需的控制程序相比图2A、图2B更加复杂，相应的增加了逆变电路控制模块的成本。

本发明提出的用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统及方法提供了驱动带中性线的三相交流电机驱动的电路方案，通过新型的空间电压矢量调制方法，有效地抑制了带中性线的三相交流电机系统中固有的零序电流，从而能大大降低传统带中性线的三相交流电机的驱动电路的成本，并且更有利于拓宽带中性线的三相交流电机的驱动电路拓扑的应用领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统，其特征在于，包括：整流单元、直流母线电容、逆变单元、三相交流电机，其中，

所述整流单元，用于接入外部交流电，并将其整流为直流电；

所述直流母线电容，与整流单元并联连接；

所述逆变单元连接整流单元及三相交流电机，包括：三相四桥臂逆变电路、逆变电路控制模块；其中，

所述三相四桥臂逆变电路，用于将所述直流电逆变为交流电，驱动三相交流电机，包括四个桥臂，所述四个桥臂之间并联连接；

第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的上桥为二极管，下桥为开关管，这三个桥臂中的上桥和下桥之间的连接点分别连接三相交流电机的其中一相；

第四桥臂的上桥为开关管，下桥为另一个二极管，所述第四桥臂中的上桥和下桥之间的连接点连接三相交流电机的中性端；

所述逆变电路控制模块，用于根据所述三相交流电机的三相电流，利用空间电压矢量调制分别控制所述四个桥臂的开关管开通或关断；

在所述空间电压矢量调制的某一扇区内，当处于某一有效空间电压矢量状态时，如果所述三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流都不等于0，关断第四桥臂的开关管，执行第一续流模式，产生第一续流；

如果所述三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流至少有一相等于0，开通第四桥臂的开关管，执行第二续流模式，产生第二续流；

根据所述三相交流电机的三相电流的实时状态，通过调节第四桥臂的开关管的开关状态控制执行第一续流模式或第二续流模式，在所述三相交流电机侧产生一个反向的零轴电压，降低零轴的平均电压，抑制零序电流；

其中，空间电压矢量调制包括6个扇区以及12个有效空间电压矢量状态。

2.根据权利要求1所述的用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统，其特征在于，所述外部交流电包括：三相电源或者单相电源。

3.根据权利要求1所述的用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统，其特征在于，所述整流单元包括：滤波电路、整流电路；其中，

所述整流电路为三相有源功率因数校正电路、单相有源功率因数校正电路，或三相/单相无源整流电路。

4.根据权利要求1所述的用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统，其特征在于，所述直流母线电容采用大容值的电解电容或小容值的薄膜电容。

5.根据权利要求1所述的用于三相交流电机的抑制零序电流的控制系统，其特征在于，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂中开关管的开通或关断的情况，除了零矢量之外，还包括6个有效空间电压矢量状态：011、001、101、100、110、010；其中，1为开通，0为关断；

在所述空间电压矢量调制的某一扇区内，当处于某一有效空间电压矢量状态时，如果所述三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流都不等于0，关断第四桥臂的开关管，执行第一续流模式，产生第一续流，其中，加入第四桥臂后的6个有效空间电压矢量状态包括：0110、0010、1010、1000、1100、0100；

如果所述三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流至少有一相等于0，开通第四桥臂的开关管，执行第二续流模式，产生第二续流，其中，加入第四桥臂后的6个有效空间电压矢量状态包括：0111、0011、1011、1001、1101、0101。

6.一种用于三相交流电机的抑制零序电流的控制方法，其特征在于，包括：

根据所述三相交流电机的三相电流，利用空间电压矢量调制分别控制三相四桥臂逆变电路中四个桥臂的开关管开通或关断；

在所述空间电压矢量调制的某一扇区内，当处于某一有效空间电压矢量状态时，如果所述三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流都不等于0，关断第四桥臂的开关管，执行第一续流模式，产生第一续流；

如果所述三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流至少有一相等于0，开通第四桥臂的开关管，执行第二续流模式，产生第二续流；

根据所述三相交流电机的三相电流的实时状态，通过调节第四桥臂的开关管的开关状态控制执行第一续流模式或第二续流模式，在所述三相交流电机侧产生一个反向的零轴电压，降低零轴的平均电压，抑制零序电流；

其中，空间电压矢量调制包括6个扇区以及12个有效空间电压矢量状态。

7.根据权利要求6所述的用于三相交流电机的抑制零序电流的控制方法，其特征在于，

在所述四个桥臂中，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂中开关管的开通或关断的情况，除了零矢量之外，还包括6个有效空间电压矢量状态：011、001、101、100、110、010；其中，1为开通，0为关断；

在所述空间电压矢量调制的某一扇区内，当处于某一有效空间电压矢量状态时，如果所述三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流都不等于0，关断第四桥臂的开关管，执行第一续流模式，产生第一续流，其中，加入第四桥臂后的6个有效空间电压矢量状态包括：0110、0010、1010、1000、1100、0100；

如果所述三相交流电机中矢量状态发生变化的相应两相电流至少有一相等于0，开通第四桥臂的开关管，执行第二续流模式，产生第二续流，其中，加入第四桥臂后的6个有效空间电压矢量状态包括：0111、0011、1011、1001、1101、0101。