CN106301102B - 一种多相永磁同步电机驱动系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相永磁同步电机驱动系统及其控制方法，驱动系统包括模块化多电平变流器；所述模块化多电平变流器由三相六桥臂组成，每个桥臂由n个子模块和一个滤波电感组成；所述子模块由PWM逆变器、2个IGBT、1个电容组成；2个IGBT串联后与电容、PWM逆变器直流侧相并联；PWM逆变器的交流侧接多相永磁同步电机的一套三相绕组；多相永磁同步电机三相绕组数为6n(n＝1,2,3…)。本发明对三相支路进行了模块化串并联，并分别对多相永磁同步电机的每套三相绕组进行控制，解决了多相电机驱动多维控制的难题，可以实现多相永磁同步电动机低电压、大功率、高可靠性驱动。

Description

一种多相永磁同步电机驱动系统及其控制方法

技术领域

本发明属于大功率永磁同步电机驱动技术领域，特别涉及一种多相永磁同步电机驱动系统及其控制方法。

背景技术

高速大功率电机具有体积小、功率密度大、可与高速负载直接相连、省去传统的机械增速装置、减小系统噪音和提高系统传动效率等优点。在高速磨床、空气循环制冷系统、储能飞轮、天然气输送高速离心压缩机、舰载电力推进系统以及作为飞机供电设备的分布式发电系统等领域具有广阔的应用前景。

国外在高速、大容量电机方面起步比较早，技术也相对比较成熟，近十年来已经有一些成熟的产品进行了商业化的运用。MIT为美国海军研制的5MW电力推进电机，并已经开始着手研制功率更大的36.5MW-120r/min的推进电机。美国Calnetix公司开发的应用于天然气管道离心式气压缩机的高速永磁电机，其功率达到2MW，转速范围为19000-32500r/min。Converteam公司(现被GE收购)研制了一台气体压缩机用10MW-20000r/min高速大功率感应电机。目前，国外ABB Azipod公司已成功将21MW-150r/min低速永磁推进电机商业化运用。

国内对高速、大容量电机也开展了许多研究工作。目前国内电机发展的总体趋势也是从大功率电机朝着高速大功率电机发展。湖南大学与湘电股份先后联合研制了2MW低速永磁直驱风力发电系统，并成功研制出了5MW发电系统。江苏金风科技研制了国内目前单机容量最大的低速永磁直驱风电机组(6MW)。中船重工武汉712研究所研制了低速、大功率(20MW)电力推进系统。相对比国外高速、大功率电机，我国在高速、大功率电机起步较晚，但在大功率、高速异步发电机、永磁电机技术上取得了一定的研究成果。例如：湘电股份与海军工程大学联合研制了一种功率为2.5MW，额定转速为6000r/min的鼠笼式高速异步发电机，主要应用于大型船舰的发电系统。沈阳工业大学与江苏航天动力机电有限公司合作研制的1.12MW-18000r/min的高速永磁电机。

可以看出：目前国内外不仅朝着大功率电机方向发展，而且有朝着高速、大功率电机的发展趋势。国内虽取得了一些成果，但与欧美国家相比，还存在一定差距。主要体现在如下几个方面：

1)大功率电机系统的可靠性较低。电机系统的低可靠性严重威胁重大装备整体运行性能，导致灾难性事故的发生。

2)目前，常规高压驱动都是将电机、变频器、控制器作为孤立对象分别处理，没有将电机-变流器-控制器的一体化集成设计，无法实现系统各环节的优化组合，阻碍了系统的集成；

因此，有必要设计一种新的大功率电机驱动系统及其控制方法。

发明内容：

本发明的目的在于，提供一种多相永磁同步电机驱动系统及其控制方法，可以实现多相永磁同步电机低电压、大功率、高可靠性驱动，避免了多相电机多维控制的难题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多相永磁同步电机驱动系统，包括模块化多电平变流器；所述模块化多电平变流器采用三相六桥臂结构，每相包括上、下两个桥臂，每相上桥臂由n个GM子模块和1个滤波电感L依次串接而成，下桥臂由1个滤波电感L和n个GM子模块依次串接而成；每相上下桥臂的滤波电感串联，其连接点即为对应相上下桥臂的连接点，上下桥臂的连接点引出相线；三条相线接入公共电网；三相上桥臂的上端相互连接、三相下桥臂的下端相互连接；三相上桥臂的上端与三相下桥臂的下端构成直流侧母线的正负极；

所述GM子模块包括一个三相PWM逆变器、两个IGBT管T1～T2、两个二极管D1～D2和一个电容C；其中，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成GM的正端；IGBT管T1的集电极与电容C的正极相连；IGBT管T2的发射极与电容C的负极相连并构成GM的负端；D1与T1反向并联，D2与T2反向并联；三相PWM逆变器的直流侧与电容C并联，三相PWM逆变器的交流侧接多相永磁同步电机的一套三相绕组；

所述多相永磁同步电机具有6n(n＝1,2,3…)个三相绕组，一一对应接入模块化多电平变流器中的6n个三相PWM逆变器的交流侧。

将上桥臂的n个GM子模块依次记为GM₁～GM_n；每相上桥臂的GM₁～GM_n和L依次串联，即GM₁的正端出线与直流侧母线的正极相连，处于中间的GM_i的正端与GM_i-1的负端相连，GM_i的负端与GM_i+1的正端相连，i＝2，3，…，n-1；GM_n的负端与L的一端相连，L的另一端引出相线；

将下桥臂的n个GM子模块依次记为GM_n+1～GM_2n；每相下桥臂的L和GM₁～GM_n依次串联，即L的一端引出相线，L的另一端与GM_n+1的正端相连，处于中间的GM_i的正端与GM_i-1的负端相连，GM_i的负端与GM_i+1的正端相连，i＝n+2，n+3，…，2n-1；GM_2n的负端与直流侧母线的负极相连。

所述GM子模块中电容C的值为1200uF，所述滤波电感L的值为5mH，所述子模块中IGBT的耐压值为1200V。

一种多相永磁同步电机驱动系统的控制方法，所述多相永磁同步电机驱动系统为上述的多相永磁同步电机驱动系统；所述控制方法包括对每个GM子模块中三相PWM逆变器的控制方法和对每个GM子模块中两个IGBT管T1～T2的控制方法：

对每个GM子模块中三相PWM逆变器的控制方法如下：

将多相永磁同步电机的实测速度v与给定的参考速度v*(由实际需求设定得到)的偏差Δv经过第一PI调节器进行调节，得到无功电流参考值i_q ^*；给定有功电流参考值为i_d ^*＝0；

实测三相PWM整流器的交流侧三相电流i_sa、i_sb和i_sc，经abc/dq坐标变换得到旋转坐标系下的d轴和q轴电流i_d和i_q；

将i_q ^*与i_q的差值输入第二PI调节器进行调节，得到输出电压u_q ^*；u_q ^*经过Park逆变换得到控制电压u_α ^*；

将i_d ^*＝0与i_d的差值输入第三PI调节器进行调节，得到参考电压u_d ^*，u_d ^*经过Park逆变换得到控制电压u_β ^*；

将控制电压u_α ^*和u_β ^*经过空间矢量调制获得该三相PWM逆变器的开关信号；

对每个GM子模块中IGBT管T1～T2的控制方法如下：

通过公式计算一相内所有GM子模块的电容电压之和的1/2，即U_c，公式中U_GMj表示该相内第j个GM子模块的电容电压，j＝1,2,…,2n表示该相内GM子模块的序号，2n表示该相内GM子模块的个数；将U_c与给定的子模块电容电压参考值U_Cref进行比较，其结果输入第四PI调节器进行调节，得到环流参考值i_loopref；

检测该相上桥臂电流i_p和下桥臂电流i_n，计算出环流

将i_loop与i_loopref进行比较，其结果输入第五PI调节器进行调节，得到参考量U_refB，采用载波移相得调制方式，得到该相GM子模块中IGBT管开关信号。

所述第一PI调节器的比例系数为0.55，积分系数为110；所述第二PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为100；所述第三PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为110；所述第四PI调节器的比例系数为0.55，积分系数为110；所述第五PI调节器的比例系数为0.45，积分系数为110；

所述给定的子模块电容电压参考值U_Cref为800v。

本发明的有益效果是：

本发明将大功率多相永磁同步电机每个三相绕组与对应的驱动器子模块相连，并分别加以控制，实现了直接驱动、低转矩脉动，且将电机-变流器-控制器的一体化集成设计，大大增强了系统的可靠性。具体具有以下优点：

1)将电感、IGBT、PWM逆变器集成一个变流器子模块，再将该子模块与多相多绕组永磁同步电机对应的三个相线连接，构成系统的一个单元，这种方式简单可行，易于实现，提高了整个系统的可靠性；

2)在大功率高压直接驱动变流系统的每条支路采用变流器子模块串联结构，可以实现在电机的直接驱动，避免了多相电机多维控制难题且降低了电磁矩脉动。

附图说明

图1多相永磁同步电机驱动系统拓扑结构及子模块结构图；图1(a)为多相永磁同步电机驱动系统拓扑结构图；图1(b)为子模块结构图；

图2电机驱动控制框图；

图3稳压控制框图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1是多相永磁同步电机驱动系统拓扑结构及子模块结构图，驱动系统包括模块化多电平逆变器；所述的多相永磁同步电机的相数为18n(n＝1,2,3…)；所述模块化多电平逆变器采用三相六桥臂结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由n个GM子模块和一个滤波电感L串接而成；上、下桥臂连接点引出相线；三条相线接入公共电网；所述GM子模块包括PWM整流器、2个IGBT管T1～T2、两个二极管D1～D2和一个电容C；其中，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成GM的正端，IGBT管T1的集电极与电容C的正极相连，IGBT管T2的发射极与电容C的负极相连并构成GM的负端；D1与T1反向并联，D2与T2反向并联；IGBT管T1～T2的门极均接收外部设备提供的开关信号；PWM整流器的直流侧与电容C并联，PMW整流器的交流侧接多相直驱永磁风力发电机的一套三相绕组。

这里以a相桥臂为例进行说明，令n＝4，即a相桥臂由上桥臂4个子模块和下桥臂4个子模块组成，D1、D2为二极管，C为电容，值为1000uF，L为电感，值为1mH，T1、T2为开关管IGBT。

图2为多相永磁同步电机驱动系统控制图，这里以单个PWM逆变器对一套三相绕组控制为例进行说明。

将多相永磁同步电机的实测速度v与给定的参考速度v*(由实际需求设定得到)的偏差Δv经过第一PI调节器进行调节得到无功电流参考值i_q ^*，给定有功电流参考值为i_d ^*＝0，第一PI调节器的参数为：K_p1＝0.55，K_i1＝110；

实测PWM整流器交流侧三相电流i_sa、i_sb和i_sc，经abc/dq坐标变换得到旋转坐标系下的d轴、q轴电流i_d和i_q；

将i_q ^*与i_q的差值输入第二PI调节器进行调节，得到输出电压u_q ^*；u_q ^*再经过Park逆变换得到控制电压u_α ^*，第二PI调节器的参数为：K_p2＝0.5，K_i2＝100；

将i_d ^*＝0与i_d的差值输入第三PI调节器进行调节，得到参考电压u_d ^*，u_d ^*再经过Park逆变换得到控制电压u_β ^*；第三PI调节器的参数为：K_p3＝0.5，K_i3＝110；

将控制电压u_α ^*和u_β ^*经过空间矢量调制获得该三相PWM逆变器的开关信号，产生幅值、频率可变的三相正弦电流输入电机，实现电机的驱动。

图3为稳压控制框图，U_c是一相内所有子模块电容电压之和的1/2：

U_c与其参考值U_Cref比较后，经过第四PI调节器得到环流参考值i_loopref，电流内环是通过环流控制器，使其环流快速跟踪环流参考值i_loopref，环流i_loop可以通过测量上、下桥臂的电流计算得到：

环流i_loop与参考值i_loopref进行比较后经过第五PI调节器输出稳压控制的参考量U_refB，采用载波移相得调制方式，得到GM子模块中IGBT管开关信号，稳压控制参考值U_Cref＝800V，第四PI调节器的参数设置为：K_p4＝0.55，K_i4＝110，第五PI调节器的参数设置为：K_p5＝0.45，K_i5＝110。

Claims (3)

1.一种多相永磁同步电机驱动系统，其特征在于，包括模块化多电平变流器；所述模块化多电平变流器采用三相六桥臂结构，每相包括上、下两个桥臂，每相上桥臂由n个GM子模块和1个滤波电感L依次串接而成，下桥臂由1个滤波电感L和n个GM子模块依次串接而成；每相上下桥臂的滤波电感串联，其连接点即为对应相上下桥臂的连接点，上下桥臂的连接点引出相线；三条相线接入公共电网；三相上桥臂的上端相互连接、三相下桥臂的下端相互连接；三相上桥臂的上端与三相下桥臂的下端构成直流侧母线的正负极；

所述GM子模块包括一个三相PWM逆变器、两个IGBT管T1～T2、两个二极管D1～D2和一个电容C；其中，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成GM的正端；IGBT管T1的集电极与电容C的正极相连；IGBT管T2的发射极与电容C的负极相连并构成GM的负端；D1与T1反向并联，D2与T2反向并联；三相PWM逆变器的直流侧与电容C并联，三相PWM逆变器的交流侧接多相永磁同步电机的一套三相绕组；

所述多相永磁同步电机具有6n个三相绕组，一一对应接入模块化多电平变流器中的6n个三相PWM逆变器的交流侧，其中n＝1,2,3…；

所述GM子模块中电容C的值为1200uF，所述滤波电感L的值为5mH，所述子模块中IGBT的耐压值为1200V。

2.一种多相永磁同步电机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述多相永磁同步电机驱动系统为权利要求1所述的多相永磁同步电机驱动系统；所述控制方法包括对每个GM子模块中三相PWM逆变器的控制方法和对每个GM子模块中两个IGBT管T1～T2的控制方法：

对每个GM子模块中三相PWM逆变器的控制方法如下：

将多相永磁同步电机的实测速度v与给定的参考速度v*的偏差Δv经过第一PI调节器进行调节，得到无功电流参考值i_q ^*；给定有功电流参考值为i_d ^*＝0；

实测三相PWM整流器的交流侧三相电流i_sa、i_sb和i_sc，经abc/dq坐标变换得到旋转坐标系下的d轴和q轴电流i_d和i_q；

将i_q ^*与i_q的差值输入第二PI调节器进行调节，得到输出电压u_q ^*；u_q ^*经过Park逆变换得到控制电压u_α ^*；

将i_d ^*＝0与i_d的差值输入第三PI调节器进行调节，得到参考电压u_d ^*，u_d ^*经过Park逆变换得到控制电压u_β ^*；

将控制电压u_α ^*和u_β ^*经过空间矢量调制获得该三相PWM逆变器的开关信号；

对每个GM子模块中IGBT管T1～T2的控制方法如下：

通过公式计算一相内所有GM子模块的电容电压之和的1/2，即U_c，公式中U_GMj表示该相内第j个GM子模块的电容电压，j＝1,2,…,2n表示该相内GM子模块的序号，2n表示该相内GM子模块的个数；将U_c与给定的子模块电容电压参考值U_Cref进行比较，其结果输入第四PI调节器进行调节，得到环流参考值i_loopref；

检测该相上桥臂电流i_p和下桥臂电流i_n，计算出环流

将i_loop与i_loopref进行比较，其结果输入第五PI调节器进行调节，得到参考量U_refB，采用载波移相得调制方式，得到该相GM子模块中IGBT管开关信号。

3.根据权利要求2所述的多相永磁同步电机驱动系统的控制方法，其特征在于，所述第一PI调节器的比例系数为0.55，积分系数为110；所述第二PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为100；所述第三PI调节器的比例系数为0.5，积分系数为110；所述第四PI调节器的比例系数为0.55，积分系数为110；所述第五PI调节器的比例系数为0.45，积分系数为110；

所述给定的子模块电容电压参考值U_Cref为800v。