CN106655972B - 一种变流器系统及具有该系统的定子直流励磁电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变流器系统，其包括供电电源、定子直流励磁电机和控制器，所述控制器包括变流器模块，所述变流器模块包括：N组容量不对称的单相全桥逆变电路组成的变流器拓扑,用于控制所述直流励磁电机的电流，所述容量不对称的单相全桥逆变电路拓扑包括两片大容量的开关器件，两片大容量的二极管器件，两片小容量的开关器件，两片小容量的二极管器件；以及由N片驱动芯片及其外围元器件组成的N相驱动电路，用于驱动所述变流器拓扑，从而实现对所述直流励磁电机电流的控制。本发明还公开了一种具有该变流器系统的定子直流励磁电机。本发明的变流器系统实现最优转矩密度，增大变流器的功率密度，并降低电机控制系统的成本。

Description

一种变流器系统及具有该系统的定子直流励磁电机
技术领域
本发明属于逆交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及一种变流器系统及具有该系统的定子直流励磁电机。
背景技术
应用电力电子变换器作为控制器是现代电气传动的主要方法。永磁电机具有高功率密度、高效率、高功率因数等优点，但永磁电机成本较高。而传统的开关磁阻电机结构简单、成本低，但由于其特有的供电方式，在开关关断瞬间，存在较大的电流尖峰，因此电机的振动和噪声很大，此外，电机的转矩脉动也较大。这些缺点影响了开关磁阻电机在某些对振动和噪声要求较高的场合的使用。近年来，有些学者提出了直流偏置正弦电流的游标电机。这种电机的相电流除了交变分量外，还含有直流分量。针对这种每相电流都包含交流和直流两种分量的新型的定子直流励磁电机，传统的控制器采用完全对称的单相全桥逆变器控制每相电流。由于定子直流励磁电机电流的正负不对称性，不同位置的电力电子器件的容量上存在优化的空间。定子直流励磁电机存在更优化的控制器结构能够使用容量更小的电力电子器件及其配套资源。
专利文献CN106026823A公开了一种电机驱动器拓扑及控制算法，所述电机驱动器拓扑包括3n相电机、驱动器和控制器，所述n≥1且n为正整数，所述3n相电机通过驱动器连接电源，所述控制器通过驱动器控制3n相电机的工作状态，所述驱动器采用桥式结构，所述桥式结构为n个三相桥式逆变电路，当n>1时，所述n个三相桥式逆变电路上、下串联连接，所述3n相电机为n套三相绕组结构，所述控制算法为通过三相电机的空间矢量脉宽调制算法控制3n相电机的工作状态。该发明的效果能够驱动多相电机、结构简单，控制算法简便，系统可靠性高。
但是专利文献CN106026823A公开的电机驱动器拓扑及控制算法存在如下问题：
(1)该电机驱动器拓扑只能驱动3n相的电机，不能驱动任意n相的电机。
(2)该电机驱动器拓扑及其控制算法只能实现传统的SVPWM调制，输出电流波形只能为不带直流偏置的正弦波。对于定子侧电流需要直流偏置的新型电机，该算法无法满足控制要求。
(3)该电机驱动器拓扑没有对功率器件进行优化选型，导致功率器件的冗余浪费，没有实现功率器件的最优利用，系统功率密度低，经济性差。
发明内容
针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供一种变流器系统及具有该系统的定子直流励磁电机，其目的在于通过对变流器拓扑的选择，对功率开关器件的选择与组合，在很好的实现定子直流励磁电机控制的情况下，实现最优转矩密度，增大变流器的功率密度，平衡各功率器件的寿命及发热情况，并降低电机控制系统的成本。
为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种变流器系统，其包括供电电源、定子直流励磁电机和控制器，所述控制器包括变流器模块，所述变流器模块包括：
N组容量不对称的单相全桥逆变电路组成的变流器拓扑,用于控制所述所述直流励磁电机的电流，所述容量不对称的单相全桥逆变电路拓扑包括两片大容量的开关器件，两片大容量的二极管器件，两片小容量的开关器件，两片小容量的二极管器件；以及
由N片驱动芯片及其外围元器件组成的N相驱动电路，用于驱动所述变流器拓扑，从而实现对所述直流励磁电机电流的控制。
进一步地，所述开关器件不能流通反向电流。
进一步地，所述大容量的开关器件及大容量的二极管器件的选型标准为正向电流的最大值及有效值。
进一步地，所述小容量的开关器件及小容量的二极管器件的选型标准为反向电流的最大值及有效值。
进一步地，所述控制器还包括检测模块，所述检测模块包括电机A、B、C三相霍尔电流传感器、电机轴相编码器，分别用于检测所述定子直流励磁电机的三相电流信号与电机转子位置信号。
进一步地，所述控制器还包括abc/Dq0变换模块，用于利用旋转坐标变换对所述检测到的三相电流信号中的交流分量转化为两相直流信号，得到Dq0坐标下的三相直流反馈信号。
进一步地，所述控制器还包括电流环，用于将所述直流的Dq0三相直流反馈信号与电流给定信号比较，实现电流环的无静差跟踪。
进一步地，所述控制器还包括速度环，所述电机转子位置信号经过微分得到电机转速信号，通过速度环得到转矩指令。
进一步地，所述控制器还包括脉宽调制模块，所述脉宽调制模块包括两组脉冲宽度调制，用于提高直流母线电压的利用率。
按照本发明的另一个方面，提供一种定子直流励磁电机，包括所述的变流器系统。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的技术方案中，定子直流励磁电机采用本发明提出的控制器，减少了直流励磁部分单独的电力电子器件，另外一半的电力电子器件，包括主动开关器件和二极管，可以采用电流容量较小的器件，节省了系统的成本；
(2)本发明的技术方案中，采用较小容量的电力电子器件对于辅助控制资源，包括开关器件的门极驱动电路的需求也同步减小了；
(3)本发明的技术方案中，由于减小了一半器件的电流容量，可以选择体积更小重量更轻的器件，对系统的体积和重量也有相应的减小，提高了系统的功率密度；
(4)本发明的技术方案中，仍然能够控制每相绕组的直流励磁和交流驱动电流的叠加，产生电磁转矩的输出；
(5)本发明的技术方案中，可以实现绕组中电流双向流动，即不限制直流励磁电流必须大于交流电流峰值，能够实现更优的转矩密度。
(6)本发明的技术方案中，对电力电子功率器件封装、位置布局以及散热器的选择，实现了大小功率器件温度、寿命的平衡，以达到功率器件的最优利用。
附图说明
图1为本发明实施例的定子直流励磁电机直流偏置正弦电流电机的结构；
图2为本发明实施例的定子直流励磁电机的单相的典型电流波形；
图3为本发明实施例的一种变流器系统涉及的单相的优化全桥变流器拓扑结构；
图4为本发明实施例的一种变流器系统涉及的系统框图；
图5为本发明实施例的一种变流器系统涉及的控制结构图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-定子、2-转子、3-绕组、4-全桥中第1全控性功率开关、5-全桥中第2全控性功率开关、6-全桥中第3全控性功率开关、7-全桥中第4全控性功率开关、8-全桥中第1功率二极管；9-全桥中第2功率二极管、10-全桥中第3功率二极管、11-全桥中第4功率二极管。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例的定子直流励磁电机直流偏置正弦电流电机的结构。如图1所示，直流偏置正弦电流电机，其包括定子1、转子2以及绕组3，以及转轴、机壳、端盖、位置编码器等电机的其他通用结构件。该电机的特点为：与常规绕组中电流包括正弦交流分量和直流分量该磁阻电机采用单层分数槽非重叠集中绕组，且绕组中电流包括正弦交流分量和直流分量，所述正弦交流分量用于产生旋转磁势，所述直流分量用于产生旋转磁场。
图2为本发明实施例的定子直流励磁电机的单相的典型电流波形。如图2所示，图2(c)为该变流器实现的每相绕组中的实际电流。该实际电流由图2(a)直流励磁电流和图2(b)交流驱动电流合成所得。根据直流励磁电机电磁转矩公式：
其中，P为转子极数，Mδ为直流绕组与交流绕组的互感，if为直流励磁电流，iq为交轴电流，Lδ为交流绕组自感，θe为转子转动角度，β为常数值。忽略第二项的转矩波动，为了实现最大转矩电流比控制，电机绕组中的直流电流值应等于交流电流值的有效值，即图2中两电流分量的大小比例，此时即可实现最大转矩电流比控制。
由于交流电流的正负对称性，在此基础上叠加直流励磁电流后，图2(c)所示的实际电流正方向的电流均方根值大于反方向电流均方根值，即正方向电流应力大于反方向电流应力。由此可以知道，流过正向电流的功率器件容量应大于流过反向电流的功率器件容量。
图3为本发明实施例的一种变流器系统涉及的单相的优化全桥变流器拓扑结构。如图3所示，为实现最大转矩电流比控制，由于开关器件4、5、6、7不能流通反向电流，因此当负载的电流方向为正方向时，电流有可能流过的功率器件为功率开关4或功率二极管9和功率开关7或功率二极管10；同理，当负载的电流方向为反方向时，电流有可能流过的功率器件为功率开关5或功率二极管8和功率开关6或功率二极管11。由图2得到的结论，在器件选择上，4、7、9、10按照正向电流的最大值以及有效值选择大电流容量器件；5、6、8、11按照反向电流的最大值以及有效值选择小电流容量器件。最后组成容量不对称的全桥逆变电路。
图4为本发明实施例的一种变流器系统涉及的系统框图。如图4所示，为该优化变流器的系统框图。该变流器包括三大部分：供电电源、控制器、定子直流励磁电机。
控制器包括变流器模块、脉宽调制模块、检测模块、abc/Dq0变换模块、速度环、电流环。变流器模块包括由N组单相全桥逆变电路组成的变流器拓扑、由N片驱动芯片及其外围元器件组成的N相驱动电路。
单相全桥逆变电路拓扑，包括两片大容量的开关器件，两片大容量的二极管器件，两片小容量的开关器件，两片小容量的二极管器件。
检测模块包括电机A、B、C三相霍尔电流传感器、电机轴相编码器，分别用来检测电机三相电流与电机转子位置信号；电机转子位置信号经过微分得到电机转速信号，通过速度环得到转矩指令，采用直流型偏置电机转矩公式推得Dq0轴电流分量的给定值；电机三相电流信号经过abc/Dq0变换模块，利用旋转坐标变换，将交流分量转化为直流分量，得到直流的Dq0三相电流反馈信号，并与电流给定信号比较，实现电流环的无静差跟踪。
图5为本发明实施例的一种变流器系统涉及的控制结构图。如图5所示，为该优化变流器的控制结构图，通过采集变流器输出的三相电流大小，以及电机负载转子转动的角度大小，经过dq变换，得到dq坐标下的Id，Iq，I0电流值，其中I0即为直流励磁电流值。将得到的反馈量与参考量相比，经过PI调节及前馈补偿控制给出Vd，Vq，V0的指令值输入至逆变桥的脉宽调制模块。输入的Vd，Vq，V0可以组合为一个空间矢量，将该空间矢量分解为一个超前原矢量30度的矢量V1和超前该矢量150度的矢量V2。分别对矢量V1和V2采用传统的SVPWM控制，产生两组三相半桥PWM1、PWM2驱动波形，从而能控制三相全桥逆变器的输出电流波形。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变流器系统，其包括供电电源、定子直流励磁电机和控制器，所述控制器包括变流器模块，其特征在于，所述变流器模块包括：
N组容量不对称的单相全桥逆变电路组成的变流器拓扑,用于控制所述直流励磁电机的电流，所述容量不对称的单相全桥逆变电路拓扑包括两片大容量的开关器件，两片大容量的二极管器件，两片小容量的开关器件，两片小容量的二极管器件；大容量的开关器件与小容量的二极管器件并联，小容量的开关器件与大容量的二极管器件并联；以及
由N片驱动芯片及其外围元器件组成的N相驱动电路，用于驱动所述变流器拓扑，从而实现对所述直流励磁电机电流的控制；
所述控制器还包括电流环，用于将所述直流的Dq0三相直流反馈信号与电流给定信号比较，实现电流环的无静差跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种变流器系统，其特征在于，所述开关器件不能流通反向电流。
3.根据权利要求1或2所述的一种变流器系统，其特征在于，所述大容量的开关器件及大容量的二极管器件的选型标准为正向电流的最大值及有效值。
4.根据权利要求1或2所述的一种变流器系统，其特征在于，所述小容量的开关器件及小容量的二极管器件的选型标准为反向电流的最大值及有效值。
5.根据权利要求1或2所述的一种变流器系统，其特征在于，所述控制器还包括检测模块，所述检测模块包括电机A、B、C三相霍尔电流传感器、电机轴相编码器，分别用于检测所述定子直流励磁电机的三相电流信号与电机转子位置信号。
6.根据权利要求1或2所述的一种变流器系统，其特征在于，所述控制器还包括abc/Dq0变换模块，用于利用旋转坐标变换对检测到的三相电流信号中的交流分量转化为两相直流信号，得到Dq0坐标下的三相直流反馈信号。
7.根据权利要求1或2所述的一种变流器系统，其特征在于，所述控制器还包括速度环，所述电机转子位置信号经过微分得到电机转速信号，通过速度环得到转矩指令。
8.根据权利要求1或2所述的一种变流器系统，其特征在于，所述控制器还包括脉宽调制模块，所述脉宽调制模块包括两组脉冲宽度调制，用于提高直流母线电压的利用率。
9.一种定子直流励磁电机，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的变流器系统。
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