CN105958885B - 双定子双凸极复合励磁电机驱动系统及其控制方法 - Google Patents

双定子双凸极复合励磁电机驱动系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，包括故障重构五相T型三电平逆变器和双定子双凸极复合励磁电机；双定子双凸极复合永磁电机的两套绕组分别由两组故障重构五相T型三电平逆变器供电，两组故障重构五相T型三电平逆变器相互独立。双定子双凸极复合励磁电机采用双定子结构，包括外定子，内定子，双凸极转子，钕铁硼永磁体，铝镍钴永磁体，调磁线圈和电枢绕组；双定子共用一个双凸极转子。本发明提出一种双定子双凸极复合励磁电机系统，并提供了此种驱动系统的控制方法，可以具有功率密度高、效率高、可靠性高、调磁能力强等优点。

Description

双定子双凸极复合励磁电机驱动系统及其控制方法
技术领域
本发明属于电工、电机、电力电子领域，特别是一种新型基于双定子双凸极复合励磁电机驱动系统及其控制方法。
背景技术
随着现代电机驱动系统对功率密度、效率、可靠性等要求的不断提高，传统的电机系统遇到瓶颈。几种传统的电机中，异步电机由于需要定子电枢绕组产生励磁电流，因此效率和功率因数较低。永磁同步电机由于采用永磁体产生气隙磁场，电枢绕组只需提供转矩电流，因此效率较高。但是永磁体产生的磁场很难调节，因此不利于新能源汽车驱动的弱磁调速运行或电力牵引通过磁场调节实现效率优化。传统的转子永磁型电机的永磁体位于转子上，在旋转过程中转子易遭受离心力和磁化现象。开关磁阻电机同样需要电枢电流产生气隙磁场，并利用交变磁阻来产生力矩。其效率和功率因数较低，而且转矩脉动较大。近期出现的双凸极电机由于将永磁体或励磁线圈放置在定子上，而转子采用结构简单的凸极结构，因此兼具了永磁电机和开关磁阻电机的优点，效率高、调磁能力强、可靠性高。但是目前双定子双凸极电机都局限于单定子结构，且采用三相系统，因此系统的功率密度不够高，冗余度不够高，不利于现代大功率电机驱动高功率密度和高可靠性要求。
发明内容
发明目的：针对上述现有电机系统中在功率密度、效率、可靠性、调磁能力等方面存在不能兼顾的问题，本发明提出一种新型双定子双凸极复合励磁电机系统，可以具有功率密度高、效率高、可靠性高、调磁能力强等优点。
技术方案：本发明提供以下技术方案：一种基于双定子双凸极复合励磁电机的多端口电机驱动系统，包括故障重构五相T型三电平逆变器和双定子双凸极复合励磁电机；双定子双凸极复合永磁电机的两套绕组分别由两组故障重构五相T型三电平逆变器供电，两组故障重构五相T型三电平逆变器相互独立。
作为优化，所述双定子双凸极复合励磁电机采用双定子结构，包括：外定子，内定子，双凸极转子，钕铁硼永磁体，铝镍钴永磁体，调磁线圈和电枢绕组；双定子共用一个双凸极转子，外定子和内定子中均采用多相电枢绕组，所述电枢绕组连接结构包括：五相独立绕组和五相串联绕组，采用五相独立绕组，构成双定子双五相电机运行方式；采用五相串联绕组，形成双定子五相开绕组运行方式。
作为优化，所述双定子双凸极复合励磁电机的外定子采用铝镍钴永磁体，内定子采用钕铁硼永磁体，铝镍钴永磁体和钕铁硼永磁体通过双凸极转子在磁路上实现串联；在铝镍钴永磁体周围布置有可以对铝镍钴永磁体进行充磁和去磁的调磁线圈。
作为优化，所述双定子双凸极复合励磁电机包括：电励磁绕组，外定子，双凸极转子，永磁体，电枢绕组和内定子；在外定子上安置电励磁绕组，利用电励磁绕组来调节气隙磁场，在内定子上采用永磁体，形成混合励磁。
作为优化，故障重构五相T型三电平逆变器包括：IGBT，晶闸管，熔断器，电解电容和箝位电路；故障重构五相T型三电平逆变器每相上下桥臂均只采用1个IGBT，而采用全控器件和二极管构成箝位电路连接至母线电解电容中点。
作为优化，所述外定子和内定子均为凸极结构，两个定子在空间上有机械角度偏差。
作为优化，基于双定子双凸极复合励磁电机的多端口电机驱动系统包括速度调节器，转矩滞环，磁链滞环，扇区判断模块，定子磁链和电磁转矩估计模块，电压矢量选择与合成模块，电压采样模块，电压重构模块，3/2变换，直流母线，电解电容，故障重构三电平逆变器和双定子双凸极电机。
一种双定子双凸极复合励磁电机驱动系统的控制方法，包括以下步骤：
1)根据对转矩和磁链的增减要求选择相应的参考电压矢量；
2)当前磁链处在任意位置点都能确保磁链圆形轨迹的切线与参考电压矢量夹角恒定；
3)依据简化后的五相三电平空间电压矢量图选取初始矢量合成参考电压矢量；
4)该合成矢量幅值恒定，始终坐落在参考电压矢量的轨迹上。
作为优化，用于合成参考电压矢量的初始矢量包括大矢量，中矢量，小矢量，零矢量。
有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)该双定子双凸极复合励磁电机将两个双凸极永磁电机完美地结合为一体，充分利用了电机内部空间，因此在有限空间内使电机产生更多的出力，提高了电机的转矩密度和功率密度。两个定子的相对机械位置可以进行调节，可以进一步减小电机的转矩脉动。
(2)在该双定子双凸极复合励磁电机的两个定子上分别安置有励磁装置，两个定子的励磁磁化方向相反，因此在空间上磁路形成串联，增大了串联磁路上的磁动势。另外，当某个定子上励磁装置发生去磁现象时，另一个定子上励磁装置仍能够提供气隙磁场能量，因此起着互为备用的能力。
(3)该双定子双凸极复合励磁电机采用端部较小的集中绕组，可以节省用铜量，减小绕组电阻和铜耗，提高运行效率。
(4)与转子用此行电机相比，该双定子双凸极复合励磁电机由于永磁体安装在定子上，更有利于冷却，不容易发生退磁。对于环境温度较高的环境依然适用。
(5)双定子双凸极复合励磁电机共用一个凸极结构转子，转子由简单结构的硅钢片构成，既无永磁体也无绕组，机械强度高。因此该类电机适合高速运行。
(6)该双定子双凸极复合励磁电机的励磁方式可以通过在定子上安置电励磁线圈来取代永磁体，利用电励磁线圈来调节气隙磁场。而且可以在一个定子上采用电励磁线圈，另一个定子上采用永磁体，形成混合励磁，不仅保证了电机具有较强的磁场，而且可以通过电励磁线圈调节气隙磁场。该电机还也可以在两个定子上分别采用钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体，形成混合励磁，并通过钕镍钴两侧的励磁绕组对钕镍钴永磁体进行充磁和去磁，进行电机气隙的磁场调节。
(7)提出的与双定子双凸极永磁电机相适应的故障重构T型三电平逆变器可以输出多电平电压，改善了系统输出电压谐波特性。而且相比中压驱动系统中常用的中点箝位型三电平逆变器，故障重构T型三电平逆变器开关器件的电压应力更低，开关数更少。
(8)提出的故障重构T型三电平逆变器，与传统二极管箝位式三电平逆变器相比，导通损耗可以有效降低，连接直流母线中点的IGBT耐压等级要求仅为桥臂上IGBT的一半，且无需额外二极管进行箝位，减少逆变器成本的同时也提升了系统的可靠性。
(9)该双定子双凸极电机系统具有更强的容错能力。双定子结构具有两套电机绕组，两套三相绕组互为备用。当器件发生开路或短路故障，故障重构T型三电平逆变器通过晶闸管和熔断器配合，将故障器件隔离，维持电路剩余器件继续工作。
(10)提出的基于双定子双凸极复合励磁电机T型三电平直接转矩控制的转矩脉动优化控制策略可以实现对传统直接转矩控制的转矩脉动的优化，减小转矩脉动，增加转矩脉动规律性。
附图说明
图1为基于基于双定子双凸极复合励磁电机的多端口电机驱动系统示意图；其中，11为故障重构三相T型三电平逆变器，12为双定子混合励磁双凸极电机
图2为双定子双凸极永磁电机绕组接线示意图；
其中，21为独立接线，22为串联接线
图3为双定子双凸极永磁电机结构示意图；
其中，31为外定子，32为内定子，33为双凸极转子，34为钕铁硼永磁体，35为铝镍钴永磁体，36为调磁线圈，37为电枢绕组
图4为双定子双凸极复合励磁电机结构示意图；
其中，41为电励磁绕组，42为外定子，43为转子，44为永磁体，45为电枢绕组，46为内定子
图5为故障重构三相T型三电平逆变器；
其中，51为IGBT，52为晶闸管，53为熔断器，54为电解电容，55为箝位电路
图6为基于双定子双凸极复合励磁电机T型三电平直接转矩控制的转矩脉动优化控制策略原理图；
其中，61为速度调节器，62为转矩滞环，63为磁链滞环，64为扇区判断模块，65为定子磁链和电磁转矩估计模块，66为电压矢量选择与合成模块，67为电压采样模块，68为电压重构模块，69为3/2变换，610为直流母线，611为电解电容，612为故障重构三电平逆变器，613为双定子双凸极电机
图7为作用矢量选取原理图；其中，71为磁链参考轨迹，72为当前磁链位置。73为增加转矩增加磁链的参考电压矢量，74为增加转矩减小磁链的参考电压矢量，75为减小转矩减小磁链的参考电压矢量，76为减小转矩减增加磁链的参考电压矢量。77为参考电压矢量与磁链轨迹切线的固定夹角
图8为简化后的五相三电平空间电压矢量图。其中，81为参考电压矢量的轨迹，82为大矢量，83为中矢量，84为小矢量，85为零矢量
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
基于双定子双凸极复合励磁电机的多端口电机驱动系统示意图如图1所示。两个故障重构三相T型三电平逆变器11分别由两个相互独立直流电源供电，
对双定子双凸极电机12实现控制。在一个故障重构三相T型三电平逆变器发生故障的情况下，另一个不会受到任何影响。同时，故障逆变器可通过晶闸管和熔断器两个逆变器的输出分别与双定子双凸极电机的内定子32的电枢绕组37和外定子31的电枢绕组37相连，如图3所示。双定子多相绕组可以通过独立接线21实现独立运行，构成双定子多相电机运行方式。也可以通过串联接线22将双定子电枢绕组对应相串联改变绕组结构，形成多相开绕组的运行方式，如图2所示。
该电机的励磁方式可以通过在定子上安置电励磁线圈来取代永磁体，利用电励磁线圈来调节气隙磁场。而且可以在一个定子上采用电励磁线圈，另一个定子上采用永磁体，形成混合励磁，不仅保证了电机具有较强的磁场，而且可以通过电励磁线圈调节气隙磁场，如图4所示。该电机还也可以在两个定子上分别采用钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体，形成混合励磁，并通过钕镍钴两侧的励磁绕组对铝镍钴永磁体进行充磁和去磁，进行电机气隙的磁场调节，如图3所示。
本发明针对双定子双凸极电机提出了一种基于双定子双凸极复合励磁电机T型三电平直接转矩控制的转矩脉动优化控制策略。基于双定子双凸极复合励磁电机T型三电平直接转矩控制的转矩脉动优化控制策略原理图如图6所示。直流电压采样67获得直流母线上两个滤波电容电压，结合当前开关周期的作用矢量进行电压重构68即可得到uα和uβ。对采集到的电枢绕组五相电流进行坐标变换69即可求得iα和iβ。uα、uβ、iα和iβ四个量经过定子磁链电磁转矩估计65可求得计算磁链Ψ、计算转矩Te及磁链电角度θ。参考转速n*与电机实际转速n差值通过速度调节器61求得参考转矩Te*。转矩滞环62通过判断参考转矩Te*与计算转矩Te的差值输出转矩控制量。磁链滞环63通过判断参考磁链Ψ*与计算磁链Ψ的差值输出磁链控制量。磁链电角度θ通过扇区判断64可得到磁链当前所在扇区S。转矩输出量、磁链输出量、磁链当前所在扇区三个量在电压矢量选择与合成模块66中共同作用合成最终需要的参考电压矢量，转换为PWM开关信号后作用于三电平逆变器612。
传统的基于查表法的直接转矩控制同一电压矢量对同一扇区不同位置的磁链作用效果不同。这会导致转矩和磁链脉动不规律，矢量切换和扇区切换的过程中都会引起不必要的脉动。而且磁链圆形轨迹切线与作用矢量夹角在0-60度之间变化，导致转速范围未能充分发挥。理论上，电机转速与磁链的旋转速度相同。在磁链幅值稳定的前提下，该夹角越小，电机动态响应性能越好。本发明提出的DTC控制策略将选取与磁链圆形轨迹切线夹角固定的合成矢量作为作用矢量，作用矢量的选取原理如图7所示。图7给出了三个随机的磁链位置。从图7中可以看出磁链圆形轨迹切线与作用矢量夹角77恒定，与磁链位置角无关。由于该角度固定，因而转矩和磁链脉动规律，且不存在扇区这一概念，因而也不存在扇区切换时产生不必要的转矩脉动的。该矢量选择策略要求合成幅值恒定的角度任意的作用矢量。
本控制策略中矢量的选择与合成模块66中的目标矢量是基于电压空间矢量调制(SVM)合成的，五相三电平控制器电压空间矢量可以产生243个电压空间矢量。相比两电平五相电压空间矢量的数量多很多，为了简化其复杂性，本策略对五相三电平电压空间矢量进行了简化，简化后的五相三电平空间电压矢量图如图8所示。共包含43个电压矢量，按矢量幅值进行分类，可分为10个大矢量82，10个中矢量83,20个小矢量84，还有3个零矢量85。这些矢量将电压空间均等的划分为10个扇区，每个扇区又可以划分为A、B两个区域。为了保证参考电压矢量幅值相同，本策略将参考电压矢量限定在参考电压矢量的轨迹81上。在五相三电平逆变器空间电压矢量调制过程中，有两个关键问题：一个是输出电压跳变的抑制，另一个是中点电压的控制。对合成矢量进行分类，并在每个开关周期按照固定的顺序分配各矢量的作用时间，每个开关周期从零矢量开始到零矢量结束。这样便可以有效抑制电压跳变。以I扇区为例。按照伏秒平衡原理，当参考电压矢量落在区域A时，参考电压矢量通过00000-11000-22000-22001-22111-22222-22111-22001-22000-11000-00000矢量作用顺序合成。其中2、1、0分别代表高、中、低三种电平，五位数依次对应SaSbScSdSe。当参考电压矢量落在区域B时，参考电压矢量通过00000-11001-22001-22002-22112-22222--22112-22002-22001-11001-00000矢量作用顺序合成。其他扇区同样可以按照该矢量合成方式进行合成。因而，本策略中使用的合成矢量可有效解决过高电压幅值跳变问题。为了保证直流母线两个滤波电容均等分压，必须对中性点电压进行控制，以防中性点发生过度偏移导致电容因过压烧毁。简化后的五相三电平电压大矢量对中性点电压没有影响，中矢量对中性点电压影响不固定，只有小矢量对中性点电压的影响是确定的。本算法中，在每个开关周期中都有两个长度及方向相同，对中性点电压作用相反的小矢量。如11001可以起到降低直流母线中点电压作用，长度和方向相同的矢量22112则可以起到升高直流母线中点电压作用。通过调整各小矢量在合成矢量过程中所占的时间比重就可以决定合成的矢量能够升高还是降低直流母线中点电压。因而，通过实时采集母线两个滤波电容电压，利用棒棒控制，调整对中性点电压有均衡作用的矢量作用时间，即可实现对中性点电压的均衡控制。

Claims (8)

1.一种双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，包括故障重构五相T型三电平逆变器(11)和双定子双凸极复合励磁电机(12)；其特征在于，双定子双凸极复合永磁电机(12)的两套绕组分别由两组故障重构五相T型三电平逆变器(11)供电，两组故障重构五相T型三电平逆变器(11)相互独立；
所述双定子双凸极复合励磁电机(12)采用双定子结构，包括：外定子(31)，内定子(32)，双凸极转子(33)，钕铁硼永磁体(34)，铝镍钴永磁体(35)，调磁线圈(36)和电枢绕组(37)；双定子共用一个双凸极转子(33)，外定子(31)和内定子(32)中均采用多相电枢绕组(37)，所述电枢绕组连接结构包括：五相独立绕组(21)和五相串联绕组(22)，采用五相独立绕组(21)，构成双定子双五相电机运行方式；采用五相串联绕组(22)，形成双定子五相开绕组运行方式，双凸极转子(33)位于外定子(31)和内定子(32)之间，两个定子的励磁磁化方向相反。
2.根据权利要求1所述的双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，其特征在于，所述双定子双凸极复合励磁电机(12)的外定子(31)采用铝镍钴永磁体(35)，内定子(32)采用钕铁硼永磁体(34)，铝镍钴永磁体(35)和钕铁硼永磁体(34)通过双凸极转子(33)在磁路上实现串联；在铝镍钴永磁体(35)周围布置有可以对铝镍钴永磁体(35)进行充磁和去磁的调磁线圈(36)。
3.一种双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，包括故障重构五相T型三电平逆变器(11)和双定子双凸极复合励磁电机(12)；其特征在于，双定子双凸极复合永磁电机(12)的两套绕组分别由两组故障重构五相T型三电平逆变器(11)供电，两组故障重构五相T型三电平逆变器(11)相互独立；
所述双定子双凸极复合励磁电机(12)包括：电励磁绕组(41)，外定子(42)，双凸极转子(43)，永磁体(44)，电枢绕组(45)和内定子(46)；在外定子(42)上安置电励磁绕组(41)，利用电励磁绕组(41)来调节气隙磁场，在内定子(46)上采用永磁体，形成混合励磁，双凸极转子(43)位于外定子(42)和内定子(46)之间，两个定子的励磁磁化方向相反。
4.根据权利要求1所述的双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，其特征在于，故障重构五相T型三电平逆变器(11)包括：IGBT(51)，晶闸管(52)，熔断器(53)，电解电容(54)和箝位电路(55)；故障重构五相T型三电平逆变器(11)每相上下桥臂均只采用1个IGBT(51)，而采用全控器件和二极管构成箝位电路(55)连接至母线电解电容(54)中点，有效实现逆变器(11)中IGBT(51)开路故障和短路故障的容错控制。
5.根据权利要求1所述的双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，其特征在于，所述外定子(31)和内定子(32)均为凸极结构，两个定子在空间上有机械角度偏差。
6.根据权利要求1所述的双定子双凸极复合励磁电机驱动系统，其特征在于，包括：速度调节器(61)，转矩滞环(62)，磁链滞环(63)，扇区判断模块(64)，定子磁链和电磁转矩估计模块(65)，电压矢量选择与合成模块(66)，电压采样模块(67)，电压重构模块(68)，3/2变换(69)，直流母线(610)，电解电容(611)，故障重构三电平逆变器(612)和双定子双凸极电机(613)。
7.一种采用如权利要求1所述的双定子双凸极复合励磁电机驱动系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据对转矩和磁链的增减要求选择相应的参考电压矢量；
2)当前磁链处在任意位置点(72)都能确保磁链圆形轨迹(71)的切线与参考电压矢量夹角(77)恒定；
3)依据简化后的五相三电平空间电压矢量图选取初始矢量合成参考电压矢量；
4)该合成矢量幅值恒定，始终坐落在参考电压矢量的轨迹(81)上。
8.根据权利要求7所述的双定子双凸极复合励磁电机驱动系统的控制方法，其特征在于，用于合成参考电压矢量的初始矢量包括大矢量(82)，中矢量(83)，小矢量(84)，零矢量(85)。
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