CN107196543B - 共直流母线开绕组异步电机系统零序环流抑制方法 - Google Patents

共直流母线开绕组异步电机系统零序环流抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明要解决的技术问题为针对现有技术中单纯从调制策略环节抑制零序环流，忽略逆变器非线性、反电动势零序分量，导致共直流母线开绕组异步电机定子电流畸变明显、零序环流明显；基于此本发明提出了一种零序电压可控的空间矢量PWM调制方案，通过对共直流母线开绕组异步电机系统零序电压的主动控制实现对零序环流的抑制，同时避免使用零矢量，减小开绕组电机系统的共模电压。

Description

共直流母线开绕组异步电机系统零序环流抑制方法
技术领域
本发明属于电气工程领域的逆变器控制技术，具体涉及一种共直流母线开绕组异步电机系统零序环流抑制方法。
背景技术
相比于传统的单逆变器驱动异步电机调速系统，共直流母线开绕组异步电机系统具有容错性高、拓扑结构灵活、直流侧电压等级低等优点。基于此，共直流母线开绕组异步电机系统越来越多地受到学界的关注。
虽然共直流母线开绕组异步电机具有良好的应用前景，但其作为一种较新的电机拓扑结构，还面临着诸多有待解决的问题，其中之一便是系统的零序环流问题。系统的零序环流由系统的零序电压引起，零序电压的来源主要有，逆变器调制策略本身产生的零序电压；逆变器非线性因素导致的零序电压；开绕组异步电机发电动势中的零序分量等。
目前，针对开绕组异步电机零序环流问题有学术论文对此做了深入的理论分析，如2014年IEEE文献“Comparative Evaluation of SVPWM Strategies for a DualInverter fed Open-End Winding Induction Motor Drive with a Single DC PowerSupply”(“共直流母线双逆变器供电开绕组异步电机驱动的SVPWM(Space Vector PulseWidth Modulation)策略比较”——2014年第四十届IEEE工业电子学会年会)所述，其中涉及到以下几种调制方案：
1)120°解耦SVPWM策略；
2)180°解耦SVPWM策略；
3)SAZE(The Sample Averaged Zero-sequence Elimination)SVPWM策略；
4)双电源供电策略；
2016年IEEE文献“Angular Modulation of Dual-Inverter Fed Open-End Motorfor Electrical Vehicle Applications”(“电动汽车用双逆变器供电开绕组电机角度调制”——2016年4月IEEE电力电子协会期刊，第31卷，第4期)，该文章指出调制策略中使用零矢量会使系统存在较大的共模电压。
通过上述文章分析以及相关结果可以发现，方案1)、2)、3)中开绕组异步电机定子电流存在明显的畸变，零序环流分量明显。这4种方案存在着明显的不足，如下：
(1)方案1)、2)、3)未考虑到逆变器非线性导致的零序电压分量；
(2)方案1)、2)、3)未考虑到开绕组异步电机反电动势中的零序分量产生的零序电压；
(3)方案4)采用两个独立直流源供电，切断了零序环流的回路，但是增加了系统的硬件体积与成本。
(4)4种方案中均使用零矢量，导致开绕组电机系统存在较大的共模电压。
发明内容
本发明要解决的技术问题为针对现有技术中单纯从调制策略环节抑制零序环流，忽略逆变器非线性、反电动势零序分量，导致共直流母线开绕组异步电机定子电流畸变明显、零序环流明显；基于此本发明提出了一种零序电压可控的空间矢量PWM调制方案，通过对共直流母线开绕组异步电机系统零序电压的主动控制实现对零序环流的抑制，同时避免使用零矢量，减小开绕组电机系统的共模电压。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案如下。
本发明提供了一种共直流母线开绕组异步电机系统零序环流抑制方法，本抑制方法涉及的共直流母线开绕组异步电机拓扑结构具体描述如下：直流母线电压为Udc；直流侧设置有一个稳压电容C，电容C的正极连接第一逆变器和第二逆变器正极，电容C负极连接第一逆变器和第二逆变器负极；第一逆变器第一相桥臂包括两只开关管S11、S12以及两只二极管D11、D12，S11与S12串联，S11发射极连接S12集电极，D11正极连接S11发射极，负极连接S11集电极，D12正极连接S12发射极，负极连接S12集电极；第一逆变器第二相桥臂包括两只开关管S13、S14以及两只二极管D13、D14，S13与S14串联，S13发射极连接S14集电极；D13正极连接S13发射极，负极连接S13集电极，D14正极连接S14发射极，负极连接S14集电极；第一逆变器第三相桥臂包括两只开关管S15、S16以及两只二极管D15、D16，S15与S16串联，S15发射极连接S16集电极，D15正极连接S15发射极，负极连接S15集电极，D16正极连接S16发射极，负极连接S16集电极；第二逆变器第一相桥臂包括两只开关管S21、S22以及两只二极管D21、D22，S21与S22串联，S21发射极连接S22集电极，D21正极连接S21发射极，负极连接S21集电极，D22正极连接S22发射极，负极连接S22集电极；第二逆变器第二相桥臂包括两只开关管S23、S24以及两只二极管D23、D24，S23与S24串联，S23发射极连接S24集电极，D23正极连接S23发射极，负极连接S23集电极，D24正极连接S24发射极，负极连接S24集电极；第二逆变器第三相桥臂包括两只开关管S25、S26以及两只二极管D25、D26，S25与S26串联，S25发射极连接S26集电极，D25正极连接S25发射极，负极连接S25集电极，D26正极连接S26发射极，负极连接S26集电极；开绕组异步电机三相定子绕组分别为A、B、C，A相两端连接第一逆变器第一相桥臂中点a1和第二逆变器第一相桥臂中点a2，B相两端连接第一逆变器第二相桥臂中点b1和第二逆变器第二相桥臂中点b2，C相两端连接第一逆变器第三相桥臂中点c1和第二逆变器第三相桥臂中点c2；
本抑制方法包括以下步骤：
步骤1，采集开绕组异步电机定子上三相电流iA、iB、iC和转子电角速度ωr；
步骤2，将步骤1采集得到的开绕组异步电机定子上三相电流iA、iB、iC按照下式(1)、(2)变换到同步旋转dq坐标系下：
其中iα、iβ为两相静止坐标系αβ中开绕组异步电机定子α轴电流和β轴电流，i0为开绕组异步电机系统的零序环流，id、iq为旋转坐标系dq坐标系中开绕组异步电机定子d轴电流和q轴电流、θ为转子定向角度；
步骤3，根据步骤2获得的id、iq、i0计算调节器输入值：
其中分别为设定的开绕组异步电机定子d轴电流，q轴电流以及零序环流，idin为定子d轴电流调节器输入值，iqin为定子q轴电流调节器输入值，i0in为零序环流调节器输入值；
步骤4，设设定参考电压矢量为OU，计算设定参考电压矢量OU在αβ坐标系下的分量uα、uβ：
其中udout为定子d轴电流调节器输出值，uqout定子q轴电流调节器输出值，θ为转子定向角度，uα、uβ为设定参考电压矢量OU在αβ坐标系下的分量；
步骤5，将设定参考电压矢量OU在αβ坐标系下的分量uα、uβ按照下式变换到abc坐标系下，得到ua、ub、uc：
其中OU为设定参考电压矢量，ua、ub、uc为设定参考电压矢量OU在abc坐标系中a轴、b轴和c轴上的分量；
步骤6，按照下式对设定参考电压矢量OU进行180°解耦：
其中OU1为第一逆变器合成参考电压矢量，OU2为第二逆变器合成参考电压矢量，U0为零序环流调节器输出值，u0为第一逆变器零轴电压目标值，u0'为第二逆变器零轴电压目标值；
步骤7，根据下表对电压矢量OU1、OU2所在αβ坐标系中扇区位置进行判断：
其中OU1为第一逆变器合成参考电压矢量，OU2为第二逆变器合成参考电压矢量，ua、ub、uc分别设定参考电压矢量OU在abc坐标系中a轴、b轴和c轴上的分量，扇区Ⅰ表示αβ坐标系中0°-60°区域，α轴所在位置为0°，β轴所在位置为90°，扇区Ⅱ表示αβ坐标系中60°-120°区域，扇区Ⅲ表示αβ坐标系
中120°-180°区域，扇区Ⅳ表示αβ坐标系中180°-240°区域，扇区Ⅴ表示αβ坐标系中240°-300°区域，扇区Ⅵ表示αβ坐标系中300°-360°区域；
步骤8，根据步骤7中获得的第一逆变器和第二逆变器的合成参考电压矢量OU1、OU2所在αβ坐标系中扇区位置信息，按照下表选择第一逆变器和第二逆变器参与合成的电压空间矢量；
其中扇区Ⅰ表示αβ坐标系中0°-60°区域，α轴所在位置为0°，β轴所在位置为90°，扇区Ⅱ表示αβ坐标系中60°-120°区域，扇区Ⅲ表示αβ坐标系中120°-180°区域，扇区Ⅳ表示αβ坐标系中180°-240°区域，扇区Ⅴ表示αβ坐标系中240°-300°区域，扇区Ⅵ表示αβ坐标系中300°-360°区域；U1、U2、U3、U4、U5、U6为第一逆变器产生的电压空间矢量，U1’、U2’、U3’、U4’、U5’、U6’为第二逆变器产生的电压空间矢量；
第一逆变器产生的电压空间矢量对应的开关状态如下表所示：
其中sa1、sb1、sc1分别表示第一逆变器第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的开关状态，等于1时表示上开关管导通，下开关管关断；等于0时表示上开关管关断，下开关管导通；
第二逆变器产生的电压空间矢量对应的开关状态如下表：
其中sa2、sb2、sc2分别第二逆变器第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的开关状态，等于1时表示桥臂上开关管导通，下开关管关断；等于0时表示桥臂上开关管关断，下开关管导通；
步骤9，计算第一逆变器和第二逆变器每个扇区选择的相应的4个电压空间矢量的作用时间；
第一逆变器根据步骤8的选择结果，在OU1所在扇区内选择电压空间矢量U1、U2、U3、U4，根据伏秒平衡原理建立下式：
求解得到t1、t2、t3、t4；
第二逆变器根据步骤8的选择结果，在OU2所在扇区内选择电压空间矢量U1'、U2'、U3'、U4'，根据伏秒平衡原理建立下式：
求解得到t1'、t2'、t3'、t4'；
其中，Ts为一个开关周期的时间，u0为第一逆变器零轴电压目标值，U1、U2、U3、U4为步骤8中选择的第一逆变器产生的电压空间矢量，U10、U20、U30、U40分别为U1、U2、U3、U4在零轴上的分量，U1α、U2α、U3α、U4α分别为U1、U2、U3、U4在α轴上的分量，U1β、U2β、U3β、U4β分别为U1、U2、U3、U4在β轴上的分量，t1、t2、t3、t4分别为U1、U2、U3、U4的作用时间，U1'、U2'、U3'、U4'为步骤4中选择的第二逆变器产生的电压空间矢量，u0'为第二逆变器零轴电压目标值，U10'、U20'、U30'、U40'分别为U1'、U2'、U3'、U4'在零轴上的分量，U'1α、U'2α、U'3α、U'4α分别为U1'、U2'、U3'、U4'在α轴上的分量，U'1β、U'2β、U'3β、U'4β分别为U1'、U2'、U3'、U4'在β轴上的分量。t1'、t2'、t3'、t4'分别为U1'、U2'、U3'、U4'的作用时间；
步骤10，根据步骤9计算得到的第一逆变器和第二逆变器每个扇区选择的相应的4个电压空间矢量U1、U2、U3、U4和U1'、U2'、U3'、U4'的作用时间画出第一逆变器和第二逆变器的开关波形；
步骤11，根据步骤10得到的开关波形得到第一逆变器和第二逆变器中开关管的翻转时刻；
步骤12，根据步骤11获取的第一逆变器和第二逆变器中开关管的翻转时刻更新比较寄存器的值，从而由数字信号处理器产生两个逆变器的开关信号，完成两个逆变器的电压矢量调制信号的生成。
优选地，其特征在于，步骤1中开绕组异步电机三相定子电流iA、iB、iC是利用电流传感器实时采样得到。
优选地，其特征在于，步骤1中转子电角速度的ωr采集步骤如下：
1)在一个预设采样周期T内采样安装在电机轴上的光电式旋转编码器发出的脉冲数N；
2)根据转子电角速度ωr和光电式旋转编码器发出的脉冲数N以及预设采样周期T之间的关系计算出转子电角速度ωr，其计算公式为：
在公式(9)中，M为光电式旋转编码器旋转一周所产生的脉冲数，P为开绕组异步电机极对数，T为预设采样周期。
优选地，其特征在于，步骤2中转子定向角度θ的获得方式为：
θ＝∫ωrdt (10)
同时限制θ的范围为0°-360°；其中，ωr为转子电角速度，dt为时间的微分。
优选地，其特征在于，步骤3中d轴电流调节器、q轴电流调节器、零序环流调节器均为比例积分调节器。
附图说明
图1是共直流母线开绕组异步电机拓扑结构。
图2是本发明的控制框图。
图3是第一逆变器输出的电压空间矢量图。
图4是第二逆变器输出的电压空间矢量图。
图5是第一逆变器扇区I的矢量合成原理图
图6是第一逆变器在扇区Ⅰ的开关波形图。
图7是u0设置为定值0时共直流母线开绕组异步电机定子单相电流变化示意图。
图8是u0设置为定值0时共直流母线开绕组异步电机零序环流变化示意图。
图9是本发明调制方式下共直流母线开绕组异步电机定子单相电流变化示意图。
图10是本发明调制方式下共直流母线开绕组异步电机零序环流变化示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然所描述的实施例仅是本发明实施例的一部分，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的其它实施例，都属于本专利的保护范围。
本发明提出了一种零序电压可控的空间矢量PWM调制方案，通过对共直流母线开绕组异步电机系统零序电压的主动控制实现对零序环流的抑制，同时避免使用零矢量，减小开绕组电机系统的共模电压。
图1是本发明涉及的共直流母线开绕组异步电机拓扑结构。描述如下：直流母线电压为Udc；直流侧设置有一个稳压电容C，电容C的正极连接第一逆变器和第二逆变器正极，电容C负极连接第一逆变器和第二逆变器负极；第一逆变器第一相桥臂包括两只开关管S11、S12以及两只二极管D11、D12，S11与S12串联，S11发射极连接S12集电极，D11正极连接S11发射极，负极连接S11集电极，D12正极连接S12发射极，负极连接S12集电极；第一逆变器第二相桥臂包括两只开关管S13、S14以及两只二极管D13、D14，S13与S14串联，S13发射极连接S14集电极；D13正极连接S13发射极，负极连接S13集电极，D14正极连接S14发射极，负极连接S14集电极；第一逆变器第三相桥臂包括两只开关管S15、S16以及两只二极管D15、D16，S15与S16串联，S15发射极连接S16集电极，D15正极连接S15发射极，负极连接S15集电极，D16正极连接S16发射极，负极连接S16集电极；第二逆变器第一相桥臂包括两只开关管S21、S22以及两只二极管D21、D22，S21与S22串联，S21发射极连接S22集电极，D21正极连接S21发射极，负极连接S21集电极，D22正极连接S22发射极，负极连接S22集电极；第二逆变器第二相桥臂包括两只开关管S23、S24以及两只二极管D23、D24，S23与S24串联，S23发射极连接S24集电极，D23正极连接S23发射极，负极连接S23集电极，D24正极连接S24发射极，负极连接S24集电极；第二逆变器第三相桥臂包括两只开关管S25、S26以及两只二极管D25、D26，S25与S26串联，S25发射极连接S26集电极，D25正极连接S25发射极，负极连接S25集电极，D26正极连接S26发射极，负极连接S26集电极；开绕组异步电机三相定子绕组分别为A、B、C，A相两端连接第一逆变器第一相桥臂中点a1和第二逆变器第一相桥臂中点a2，B相两端连接第一逆变器第二相桥臂中点b1和第二逆变器第二相桥臂中点b2，C相两端连接第一逆变器第三相桥臂中点c1和第二逆变器第三相桥臂中点c2。
图2是本发明的控制框图。根据图2，本发明包括以下步骤：
步骤1，采集开绕组异步电机定子上三相电流iA、iB、iC和转子电角速度ωr。
所述三相定子电流iA、iB、iC是利用电流传感器实时采样得到；
所述转子电角速度的ωr采集步骤如下：
1)在一个预设采样周期T内采样安装在电机轴上的光电式旋转编码器发出的脉冲数N；
2)根据转子电角速度ωr和光电式旋转编码器发出的脉冲数N以及预设采样周期T之间的关系计算出转子电角速度ωr，其计算公式为：
在公式(9)中，M为光电式旋转编码器旋转一周所产生的脉冲数，P为开绕组异步电机极对数，T为预设采样周期。
步骤2，将步骤1采集得到的开绕组异步电机定子上三相电流iA、iB、iC按照下式(1)、(2)变换到同步旋转dq坐标系下：
其中iα、iβ为两相静止坐标系αβ中开绕组异步电机定子α轴电流和β轴电流，i0为开绕组异步电机系统的零序环流，id、iq为旋转坐标系dq坐标系中开绕组异步电机定子d轴电流和q轴电流、θ为转子定向角度。
转子定向角度θ的获得方式为：
θ＝∫ωrdt (10)
同时限制θ的范围为0°-360°；其中，ωr为转子电角速度，dt为时间的微分。
步骤3，根据步骤2获得的id、iq、i0计算调节器输入值：
其中分别为设定的开绕组异步电机定子d轴电流，q轴电流以及零序环流，idin为定子d轴电流调节器输入值，iqin为定子q轴电流调节器输入值，i0in为零序环流调节器输入值。在实施例中，所述d轴电流调节器、q轴电流调节器、零序环流调节器均为比例积分调节器。
步骤4，设设定参考电压矢量为OU，计算设定参考电压矢量OU在αβ坐标系下的分量uα、uβ：
其中udout为定子d轴电流调节器输出值，uqout定子q轴电流调节器输出值，θ为转子定向角度，uα、uβ为设定参考电压矢量OU在αβ坐标系下的分量。
步骤5，将设定参考电压矢量OU在αβ坐标系下的分量uα、uβ按照下式变换到abc坐标系下，得到ua、ub、uc：
其中OU为设定参考电压矢量，ua、ub、uc为设定参考电压矢量OU在abc坐标系中a轴、b轴和c轴上的分量。
步骤6，按照下式对设定参考电压矢量OU进行180°解耦：
其中OU1为第一逆变器合成参考电压矢量，OU2为第二逆变器合成参考电压矢量，U0为零序环流调节器输出值，u0为第一逆变器零轴电压目标值，u0'为第二逆变器零轴电压目标值。
步骤7，根据下表对电压矢量OU1、OU2所在αβ坐标系中扇区位置进行判断：
其中OU1为第一逆变器合成参考电压矢量，OU2为第二逆变器合成参考电压矢量，ua、ub、uc分别设定参考电压矢量OU在abc坐标系中a轴、b轴和c轴上的分量，扇区Ⅰ表示αβ坐标系中0°-60°区域，α轴所在位置为0°，β轴所在位置为90°，扇区Ⅱ表示αβ坐标系中60°-120°区域，扇区Ⅲ表示αβ坐标系中120°-180°区域，扇区Ⅳ表示αβ坐标系中180°-240°区域，扇区Ⅴ表示αβ坐标系中240°-300°区域，扇区Ⅵ表示αβ坐标系中300°-360°区域，例如，当ua≥0，ub<0，uc<0时，可判定参考电压矢量OU1所在αβ坐标系中扇区位置为扇区Ⅰ，参考电压矢量OU2所在αβ坐标系中扇区位置为扇区Ⅳ。
步骤8，根据步骤7中获得的第一逆变器和第二逆变器的合成参考电压矢量OU1、OU2所在αβ坐标系中扇区位置信息，按照下表选择第一逆变器和第二逆变器参与合成的电压空间矢量。
其中扇区Ⅰ表示αβ坐标系中0°-60°区域，α轴所在位置为0°，β轴所在位置为90°，扇区Ⅱ表示αβ坐标系中60°-120°区域，扇区Ⅲ表示αβ坐标系中120°-180°区域，扇区Ⅳ表示αβ坐标系中180°-240°区域，扇区Ⅴ表示αβ坐标系中240°-300°区域，扇区Ⅵ表示αβ坐标系中300°-360°区域；U1、U2、U3、U4、U5、U6为第一逆变器产生的电压空间矢量，U1’、U2’、U3’、U4’、U5’、U6’为第二逆变器产生的电压空间矢量，例如，第一逆变器的合成参考电压矢量OU1所在αβ坐标系中扇区位置为扇区Ⅰ，其选择参与合成的电压空间矢量为U6、U1、U2、U3。第二逆变器的合成参考电压矢量OU2所在αβ坐标系中扇区位置为扇区Ⅰ，其选择参与合成的电压空间矢量为U6’、U1’、U2’、U3’。
第一逆变器产生的电压空间矢量对应的开关状态如下表所示：
其中sa1、sb1、sc1分别表示第一逆变器第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的开关状态，等于1时表示上开关管导通，下开关管关断；等于0时表示上开关管关断，下开关管导通，例如，当电压矢量为U1时，开关状态sa1sb1sc1为100，即此时sa1为1，sb1为0，sc1也为0。
第二逆变器产生的电压空间矢量对应的开关状态如下表：
其中sa2、sb2、sc2分别第二逆变器第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的开关状态，等于1时表示桥臂上开关管导通，下开关管关断；等于0时表示桥臂上开关管关断，下开关管导通，例如，当电压矢量为U1’时，开关状态sa2sb2sc2为100，即此时sa2为1，sb2为0，sc2也为0。
图3是第一逆变器输出的电压空间矢量图。图4是第二逆变器输出的电压空间矢量图。图5是第一逆变器扇区I的矢量合成原理图。
步骤9，计算第一逆变器和第二逆变器每个扇区选择的相应的4个电压空间矢量的作用时间；
第一逆变器根据步骤8的选择结果，在OU1所在扇区内选择电压空间矢量U1、U2、U3、U4，根据伏秒平衡原理建立下式：
求解得到t1、t2、t3、t4。
第二逆变器根据步骤8的选择结果，在OU2所在扇区内选择电压空间矢量U1'、U2'、U3'、U4'，根据伏秒平衡原理建立下式：
求解得到t1'、t2'、t3'、t4'。
其中，Ts为一个开关周期的时间，u0为第一逆变器零轴电压目标值，U1、U2、U3、U4为步骤8中选择的第一逆变器产生的电压空间矢量，U10、U20、U30、U40分别为U1、U2、U3、U4在零轴上的分量，U1α、U2α、U3α、U4α分别为U1、U2、U3、U4在α轴上的分量，U1β、U2β、U3β、U4β分别为U1、U2、U3、U4在β轴上的分量，t1、t2、t3、t4分别为U1、U2、U3、U4的作用时间，U1'、U2'、U3'、U4'为步骤4中选择的第二逆变器产生的电压空间矢量，u0'为第二逆变器零轴电压目标值，U10'、U20'、U30'、U40'分别为U1'、U2'、U3'、U4'在零轴上的分量，U'1α、U'2α、U'3α、U'4α分别为U1'、U2'、U3'、U4'在α轴上的分量，U'1β、U'2β、U'3β、U'4β分别为U1'、U2'、U3'、U4'在β轴上的分量。t1'、t2'、t3'、t4'分别为U1'、U2'、U3'、U4'的作用时间。
步骤10，根据步骤9计算得到的第一逆变器和第二逆变器每个扇区选择的相应的4个电压空间矢量U1、U2、U3、U4和U1'、U2'、U3'、U4'的作用时间画出第一逆变器和第二逆变器的开关波形。
步骤11，根据步骤10得到的开关波形得到第一逆变器和第二逆变器中开关管的翻转时刻。
步骤12，根据步骤11获取的第一逆变器和第二逆变器中开关管的翻转时刻更新比较寄存器的值，从而由数字信号处理器产生两个逆变器的开关信号，完成两个逆变器的电压矢量调制信号的生成。
图6是第一逆变器在扇区Ⅰ的开关波形图。由图6可见，第一逆变器在第一扇区选择矢量U6、U1、U2、U3，其作用时间分别为T6、T1、T2、T3,从图中可以看出开关管的反转时刻，由此设置数字处理器比较寄存器的值分别为从而由数字信号处理器产生两个逆变器的开关信号，完成两个逆变器的空间矢量调制信号的生成。
图7是u0设置为定值0时共直流母线开绕组异步电机定子单相电流变化示意图。图8是u0设置为定值0时共直流母线开绕组异步电机零序环流变化示意图。图9是本发明调制方式下共直流母线开绕组异步电机定子单相电流变化示意图。图10是本发明调制方式下共直流母线开绕组异步电机零序环流变化示意图。由此，可以看出本发明对于共直流母线开绕组异步电机系统零序环流起到了很好的抑制作用。

Claims (5)

1.一种共直流母线开绕组异步电机系统零序环流抑制方法，本抑制方法涉及的共直流母线开绕组异步电机拓扑结构具体描述如下：直流母线电压为Udc；直流侧设置有一个稳压电容C，电容C的正极连接第一逆变器和第二逆变器正极，电容C负极连接第一逆变器和第二逆变器负极；第一逆变器第一相桥臂包括两只开关管S11、S12以及两只二极管D11、D12，S11与S12串联，S11发射极连接S12集电极，D11正极连接S11发射极，负极连接S11集电极，D12正极连接S12发射极，负极连接S12集电极；第一逆变器第二相桥臂包括两只开关管S13、S14以及两只二极管D13、D14，S13与S14串联，S13发射极连接S14集电极；D13正极连接S13发射极，负极连接S13集电极，D14正极连接S14发射极，负极连接S14集电极；第一逆变器第三相桥臂包括两只开关管S15、S16以及两只二极管D15、D16，S15与S16串联，S15发射极连接S16集电极，D15正极连接S15发射极，负极连接S15集电极，D16正极连接S16发射极，负极连接S16集电极；第二逆变器第一相桥臂包括两只开关管S21、S22以及两只二极管D21、D22，S21与S22串联，S21发射极连接S22集电极，D21正极连接S21发射极，负极连接S21集电极，D22正极连接S22发射极，负极连接S22集电极；第二逆变器第二相桥臂包括两只开关管S23、S24以及两只二极管D23、D24，S23与S24串联，S23发射极连接S24集电极，D23正极连接S23发射极，负极连接S23集电极，D24正极连接S24发射极，负极连接S24集电极；第二逆变器第三相桥臂包括两只开关管S25、S26以及两只二极管D25、D26，S25与S26串联，S25发射极连接S26集电极，D25正极连接S25发射极，负极连接S25集电极，D26正极连接S26发射极，负极连接S26集电极；开绕组异步电机三相定子绕组分别为A、B、C，A相两端连接第一逆变器第一相桥臂中点a1和第二逆变器第一相桥臂中点a2，B相两端连接第一逆变器第二相桥臂中点b1和第二逆变器第二相桥臂中点b2，C相两端连接第一逆变器第三相桥臂中点c1和第二逆变器第三相桥臂中点c2；
本抑制方法的特征在于，包括以下步骤：
步骤1，采集开绕组异步电机定子上三相电流iA、iB、iC和转子电角速度ωr；
步骤2，将步骤1采集得到的开绕组异步电机定子上三相电流iA、iB、iC按照下式(1)、(2)变换到同步旋转dq坐标系下：
其中iα、iβ为两相静止坐标系αβ中开绕组异步电机定子α轴电流和β轴电流，i0为开绕组异步电机系统的零序电流，id、iq为旋转坐标系dq坐标系中开绕组异步电机定子d轴电流和q轴电流、θ为转子定向角度；
步骤3，根据步骤2获得的id、iq、i0计算调节器输入值：
其中分别为设定的开绕组异步电机定子d轴电流，q轴电流以及零序电流，idin为定子d轴电流调节器输入值，iqin为定子q轴电流调节器输入值，i0in为零序电流调节器输入值；
步骤4，设设定参考电压矢量为OU，计算设定参考电压矢量OU在αβ坐标系下的分量uα、uβ：
其中udout为定子d轴电流调节器输出值，uqout定子q轴电流调节器输出值，θ为转子定向角度，uα、uβ为设定参考电压矢量OU在αβ坐标系下的分量；
步骤5，将设定参考电压矢量OU在αβ坐标系下的分量uα、uβ按照下式变换到abc坐标系下，得到ua、ub、uc：
其中OU为设定参考电压矢量，ua、ub、uc为设定参考电压矢量OU在abc坐标系中a轴、b轴和c轴上的分量；
步骤6，按照下式对设定参考电压矢量OU进行180°解耦：
其中OU1为第一逆变器合成参考电压矢量，OU2为第二逆变器合成参考电压矢量，U0为零序电流调节器输出值，u0为第一逆变器零轴电压目标值，u0'为第二逆变器零轴电压目标值；
步骤7，根据下列规则对电压矢量OU1、OU2所在αβ坐标系中扇区位置进行判断：
当ua≥0，ub＜0，uc＜0，则电压矢量OU1在第Ⅰ扇区，电压矢量OU2在第Ⅳ扇区；当ua≥0，ub≥0，uc＜0，则电压矢量OU1在第Ⅱ扇区，电压矢量OU2在第Ⅴ扇区；当ua＜0，ub≥0，uc＜0，则电压矢量OU1在第Ⅲ扇区，电压矢量OU2在第Ⅵ扇区；当ua＜0，ub≥0，uc≥0，则电压矢量OU1在第Ⅳ扇区，电压矢量OU2在第Ⅰ扇区；当ua＜0，ub＜0，uc≥0，则电压矢量OU1在第Ⅴ扇区，电压矢量OU2在第Ⅱ扇区；当ua≥0，ub＜0，uc≥0，则电压矢量OU1在第Ⅵ扇区，电压矢量OU2在第Ⅲ扇区；
其中OU1为第一逆变器合成参考电压矢量，OU2为第二逆变器合成参考电压矢量，ua、ub、uc分别为设定参考电压矢量OU在abc坐标系中a轴、b轴和c轴上的分量，扇区Ⅰ表示αβ坐标系中0°-60°区域，α轴所在位置为0°，β轴所在位置为90°，扇区Ⅱ表示αβ坐标系中60°-120°区域，扇区Ⅲ表示αβ坐标系中120°-180°区域，扇区Ⅳ表示αβ坐标系中180°-240°区域，扇区Ⅴ表示αβ坐标系中240°-300°区域，扇区Ⅵ表示αβ坐标系中300°-360°区域；
步骤8，根据步骤7中获得的第一逆变器和第二逆变器的合成参考电压矢量OU1、OU2所在αβ坐标系中扇区位置信息，按照下列规则选择第一逆变器和第二逆变器参与合成的电压空间矢量：
第Ⅰ扇区内第一逆变器选择合成矢量为U6、U1、U2、U3，第二逆变器选择合成矢量为U6’、U1’、U2’、U3’；第Ⅱ扇区内第一逆变器选择合成矢量为U1、U2、U3、U4，第二逆变器选择合成矢量为U1’、U2’、U3’、U4’；第Ⅲ扇区内第一逆变器选择合成矢量为U2、U3、U4、U5，第二逆变器选择合成矢量为U2’、U3’、U4’、U5’；第Ⅳ扇区内第一逆变器选择合成矢量为U3、U4、U5、U6，第二逆变器选择合成矢量为U3’、U4’、U5’、U6’；第Ⅴ扇区内第一逆变器选择合成矢量为U4、U5、U6、U1，第二逆变器选择合成矢量为U4’、U5’、U6’、U1’；第Ⅵ扇区内第一逆变器选择合成矢量为U5、U6、U1、U2，第二逆变器选择合成矢量为U5’、U6’、U1’、U2’；
其中扇区Ⅰ表示αβ坐标系中0°-60°区域，α轴所在位置为0°，β轴所在位置为90°，扇区Ⅱ表示αβ坐标系中60°-120°区域，扇区Ⅲ表示αβ坐标系中120°-180°区域，扇区Ⅳ表示αβ坐标系中180°-240°区域，扇区Ⅴ表示αβ坐标系中240°-300°区域，扇区Ⅵ表示αβ坐标系中300°-360°区域；U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7、U8为第一逆变器产生的电压空间矢量，U1’、U2’、U3’、U4’、U5’、U6’、U7’、U8’为第二逆变器产生的电压空间矢量；
第一逆变器产生的电压空间矢量对应的开关状态sa1sb1sc1表示如下：
电压空间矢量U1对应的开关状态为100；电压空间矢量U2对应的开关状态为110；电压空间矢量U3对应的开关状态为010；电压空间矢量U4对应的开关状态为011；电压空间矢量U5对应的开关状态为001；电压空间矢量U6对应的开关状态为100；电压空间矢量U7对应的开关状态为000；电压空间矢量U8对应的开关状态为111；
其中sa1、sb1、sc1分别表示第一逆变器第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的开关状态，等于1时表示上开关管导通，下开关管关断；等于0时表示上开关管关断，下开关管导通；
第二逆变器产生的电压空间矢量对应的开关状态sa2sb2sc2表示如下：
电压空间矢量U1’对应的开关状态为100；电压空间矢量U2’对应的开关状态为110；电压空间矢量U3’对应的开关状态为010；电压空间矢量U4’对应的开关状态为011；电压空间矢量U5’对应的开关状态为001；电压空间矢量U6’对应的开关状态为100；电压空间矢量U7’对应的开关状态为000；电压空间矢量U8’对应的开关状态为111；
其中sa2、sb2、sc2分别第二逆变器第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的开关状态，等于1时表示桥臂上开关管导通，下开关管关断；等于0时表示桥臂上开关管关断，下开关管导通；
步骤9，计算第一逆变器和第二逆变器每个扇区选择的相应的4个电压空间矢量的作用时间；
第一逆变器根据步骤8的选择结果，在OU1所在扇区内选择电压空间矢量U1、U2、U3、U4，根据伏秒平衡原理建立下式：
求解得到t1、t2、t3、t4；
第二逆变器根据步骤8的选择结果，在OU2所在扇区内选择电压空间矢量U1'、U2'、U3'、U4'，根据伏秒平衡原理建立下式：
求解得到t1'、t2'、t3'、t4'；
其中，Ts为一个开关周期的时间，u0为第一逆变器零轴电压目标值，U1、U2、U3、U4为步骤8中选择的第一逆变器产生的电压空间矢量，U10、U20、U30、U40分别为U1、U2、U3、U4在零轴上的分量，U1α、U2α、U3α、U4α分别为U1、U2、U3、U4在α轴上的分量，U1β、U2β、U3β、U4β分别为U1、U2、U3、U4在β轴上的分量，t1、t2、t3、t4分别为U1、U2、U3、U4的作用时间，U1'、U2'、U3'、U4'为步骤4中选择的第二逆变器产生的电压空间矢量，u0'为第二逆变器零轴电压目标值，U10'、U20'、U30'、U40'分别为U1'、U2'、U3'、U4'在零轴上的分量，U'1α、U'2α、U'3α、U'4α分别为U1'、U2'、U3'、U4'在α轴上的分量，U'1β、U'2β、U'3β、U'4β分别为U1'、U2'、U3'、U4'在β轴上的分量，t1'、t2'、t3'、t4'分别为U1'、U2'、U3'、U4'的作用时间；
步骤10，根据步骤9计算得到的第一逆变器和第二逆变器每个扇区选择的相应的4个电压空间矢量U1、U2、U3、U4和U1'、U2'、U3'、U4'的作用时间画出第一逆变器和第二逆变器的开关波形；
步骤11，根据步骤10得到的开关波形得到第一逆变器和第二逆变器中开关管的翻转时刻；
步骤12，根据步骤11获取的第一逆变器和第二逆变器中开关管的翻转时刻更新比较寄存器的值，从而由数字信号处理器产生两个逆变器的开关信号，完成两个逆变器的电压矢量调制信号的生成。
2.根据权利要求1所述的一种共直流母线开绕组异步电机系统零序环流抑制方法，其特征是步骤1中开绕组异步电机三相定子电流iA、iB、iC是利用电流传感器实时采样得到。
3.根据权利要求1所述的一种共直流母线开绕组异步电机系统零序环流抑制方法，其特征是步骤1中转子电角速度的ωr采集步骤如下：
1)在一个预设采样周期T内采样安装在电机轴上的光电式旋转编码器发出的脉冲数N；
2)根据转子电角速度ωr和光电式旋转编码器发出的脉冲数N以及预设采样周期T之间的关系计算出转子电角速度ωr，其计算公式为：
在公式(9)中，M为光电式旋转编码器旋转一周所产生的脉冲数，P为开绕组异步电机极对数，T为预设采样周期。
4.根据权利要求1所述的一种共直流母线开绕组异步电机系统零序环流抑制方法，其特征是步骤2中转子定向角度θ的获得方式为：
θ＝∫ωrdt (10)
同时限制θ的范围为0°-360°；其中，ωr为转子电角速度，dt为时间的微分。
5.根据权利要求1所述的一种共直流母线开绕组异步电机系统零序环流抑制方法，其特征是步骤3中d轴电流调节器、q轴电流调节器、零序电流调节器均为比例积分调节器。
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