CN107707171B - 一种电励磁电机励磁装置及其参数获取方法 - Google Patents

一种电励磁电机励磁装置及其参数获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电励磁电机励磁装置及其参数获取方法，包括：励磁绕组、励磁绕组buck电路、隔离型DC/DC变换器、三相绕组以及母线电源；母线电源与三相绕组相连接，用于为三相绕组提供母线电压；隔离型DC/DC变换器的输入端与母线电源相连接，输出端与励磁绕组buck电路的输入端相连接，用于将母线电源提供的母线电压进行隔离变比以作为励磁绕组buck电路输入电压；励磁绕组buck电路的输出端与励磁绕组相连接，用于对隔离变比后的母线电压进行斩波，将斩波后得到的电压作为励磁绕组的端电压。本发明消除励磁回路和三相回路之间的共模通路，抑制共模电流，且考虑功率器件占空比的优化，从而达到更好的功率器件控制性能。

Description

一种电励磁电机励磁装置及其参数获取方法
技术领域
本发明属于机电技术领域，更具体地，涉及一种电励磁电机励磁装置及其参数获取方法。
背景技术
目前，电励磁电机在高功率密度、高可靠性领域得到广泛应用，在风电场、电动汽车、船舶推进、航空航天等领域中具有广阔的应用前景。一般永磁电机有失磁隐患，且磁钢成本高，弱磁控制复杂。与永磁电机相比，电励磁电机多一个励磁电流的自由度，这使得电励磁电机的控制更加灵活。由于采用电励磁的形式，不存在永磁电机中可能出现的失磁，更加适用于对可靠性严格的应用领域。在高速电机领域，由于可以通过调节励磁电流的大小实现弱磁控制，控制难度下降。常见的电励磁电机采取三相绕组和励磁绕组共用一个直流电源的拓扑结构，存在励磁绕组和三相绕组之间共模电流流通的回路，此共模电流可能造成绕组绝缘的损坏和轴承的振动损坏，在电机控制系统设计和制造时必须对此共模电流的抑制加以考虑。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决常见的电励磁电机采取三相绕组和励磁绕组共用一个直流电源的拓扑结构，存在励磁绕组和三相绕组之间共模电流流通的回路，此共模电流可能造成绕组绝缘的损坏和轴承的振动损坏的技术问题。
为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种电励磁电机励磁装置，包括：励磁绕组、励磁绕组buck电路、隔离型DC/DC变换器、三相绕组以及母线电源；所述母线电源与所述三相绕组相连接，用于为所述三相绕组提供母线电压；所述隔离型DC/DC变换器的输入端与所述母线电源相连接，输出端与所述励磁绕组buck电路的输入端相连接，用于将所述母线电源提供的母线电压进行隔离变比以作为励磁绕组buck电路输入电压；所述励磁绕组buck电路的输出端与所述励磁绕组相连接，用于对隔离变比后的母线电压进行斩波，将斩波后得到的电压作为励磁绕组的端电压，所述励磁绕组和所述三相绕组之间通过所述隔离型DC/DC变换器电气隔离。
可选地，所述励磁绕组buck电路包括功率器件，所述功率器件的占空比D为：
其中，vfo为励磁绕组端电压，vfi为励磁绕组buck电路输入电压，k为隔离型DC/DC变换器的变比，vdc为母线电压。
可选地，所述励磁绕组的参数包括：励磁绕组匝数Nf、励磁电流If、励磁绕组阻抗Rf、额定磁链ψf、励磁绕组端电压vfo以及励磁绕组并绕根数n；各个参数之间的关系满足如下关系式：
ψf∝NfnIf
第二方面，本发明提供一种基于上述第一方面提供的电励磁电机励磁装置的参数获取方法，包括：
根据三相绕组母线电压大小、励磁绕组端电压大小以及励磁绕组buck电路包括的功率器件占空比变化范围，选定隔离型DC/DC变换器变比的变化范围；在所述功率器件占空比变化范围和所述隔离型DC/DC变换器变比的变化范围内确定功率器件的占空比取值和隔离型DC/DC变换器的变比的取值，以使磁绕组匝数、励磁电流大小、以及励磁绕组并绕根数符合要求。
可选地，确定功率器件的占空比取值和隔离型DC/DC变换器的变比的取值，以使磁绕组匝数、励磁电流、以及励磁绕组并绕根数符合要求，包括以下步骤：
1)在隔离型DC/DC变换器变比的变化范围内选取一个变比值；
2)取励磁绕组的并绕根数为1；
3)根据额定磁链确定此时励磁绕组匝数、励磁电流大小以及励磁绕组阻抗大小；
4)计算励磁绕组端电压；
5)计算此时励磁绕组buck电路包括的功率器件占空比；
6)判断步骤5)计算得到的功率器件的占空比是否超过所述功率器件的占空比的变化范围，若超过则继续步骤7)，若未超过则跳到步骤11)；
7)将励磁绕组的并绕根数加1；
8)判断步骤7)得到的励磁绕组的并绕根数是否为励磁绕组并绕根数为1时确定的励磁绕组匝数的约数，若是则跳到步骤3)，若否则继续步骤9)；
9)判断励磁绕组的并绕根数是否遍历完励磁绕组并绕根数为1时确定的励磁绕组匝数的约数，若是则继续步骤10)，若否则跳到步骤7)；
10)在隔离型DC/DC变换器的变比变化范围内重新选取一个变比值，跳到步骤2)；
11)结束。
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，具有以下有益效果：
本发明使用DC/DC隔离电源，分别对电机的励磁绕组和三相绕组供电，克服了传统电励磁电机两套绕组间存在共模电流的问题，隔离型DC/DC变换器基于单端正激或单端反激或者其他原理，采取隔离变压器将输入与输出进行了电气隔离，通过磁场传输能量，阻断了共模电流传输的途径，起到抑制励磁绕组和三相绕组之间的共模电流，提升了电励磁电机运行时的稳定性。本发明提供的方法及装置具有兼容性，适用于任何电励磁电机。
附图说明
图1为本发明提供的电机控制主电路图，其中，Vdc表示直流电压源，Vfi表示励磁绕组斩波电路输入电压，Vfo表示励磁绕组端电压，Load表示耗能负载，Cdc表示母线电容，K1和K2均表示开关，Lf、Cf和Sf分别表示励磁回路斩波电路的电感、电容和功率器件；
图2为本发明提供的电励磁电机励磁回路参数获取方法的流程图。
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。
为了克服传统电励磁电机驱动系统的缺点，本发明提供一种电励磁电机励磁回路参数获取方法，用以实现励磁绕组和三相绕组间共模电流的抑制，以及励磁电路斩波电路参数的确定。
图1为本发明提供的电机控制主电路图，包括：励磁绕组、励磁绕组斩波(buck)电路(Lf、Cf和Sf)、隔离型DC/DC变换器、三相绕组以及母线电源。其中，Vfi表示励磁回路斩波电路输入电压，Vfo表示励磁绕组端电压，Load表示耗能负载，Cdc表示母线电容，
母线电源与三相绕组相连接，用于为三相绕组提供母线电压Vdc；隔离型DC/DC变换器的输入端与母线电源相连接，输出端与励磁绕组buck电路的输入端相连接，用于将母线电源提供的母线电压进行隔离变比以作为励磁绕组buck电路输入电压，一般使用的隔离型DC/DC变换器基于单端正激或单端反激或者其他原理，均是采取隔离变压器将输入与输出进行了电气隔离，通过磁场传输能量，阻断了共模电流传输的途径，起到抑制共模电流的作用；励磁绕组buck电路的输出端与励磁绕组相连接，用于对变换变比后的母线电压进行斩波，通过调节励磁绕组buck电路中功率器件的占空比，调节buck电路的输出电压，即励磁绕组的端电压。
可选地，励磁绕组buck电路包括功率器件，功率器件的占空比D为：
其中，vfo为励磁绕组端电压，k为隔离型DC/DC变换器的变比，vdc为母线电压，vfi为励磁绕组buck电路输入电压，即隔离型DC/DC变换器输出电压。
可选地，励磁绕组的参数包括：励磁绕组匝数Nf、励磁电流If、励磁绕组阻抗Rf、额定磁链ψf、励磁绕组端电压vfo以及励磁绕组并绕根数n；各个参数之间的关系满足如下关系式：
ψf∝NfnIf
其中，参照上述公式，可以根据三相绕组母线电压大小、励磁绕组端电压大小以及励磁绕组buck电路包括的功率器件占空比变化范围，选定隔离型DC/DC变换器变比的变化范围；在功率器件占空比变化范围和隔离型DC/DC变换器变比的变化范围内确定功率器件的占空比取值和隔离型DC/DC变换器的变比的取值，以使磁绕组匝数、励磁电流大小、以及励磁绕组并绕根数等参数符合要求。
在一个实施例中，本发明提出的一种电励磁电机励磁回路参数的确定方法，包括如下步骤：
A、根据电机额定磁链、励磁绕组匝数、绕组阻抗之间的关系，得出励磁绕组端电压、励磁电流、励磁绕组匝数之间的关系。
其中，励磁回路基础电参数关系分析，目标是得到在保持电机额定磁链不变的情况下，电机励磁绕组端电压与励磁电流与电机励磁绕组绕线方式之间的关系。在电机额定磁链确定的情况下，电机额定磁链为确定的值，根据电机磁链与励磁绕组匝数、励磁绕组并绕根数和励磁电流成正比的关系，可知励磁绕组匝数、励磁绕组并绕根数和励磁电流大小的乘积为确定的值。当并绕根数增加时，绕组电阻随并绕根数平方成反比减少，故根据欧姆定律，励磁绕组端电压与励磁电流和绕组电阻的乘积成正比关系，即励磁绕组端电压与励磁电流成正比，与并绕根数的平方成反比。
B、根据三相绕组线电压大小、励磁绕组端电压大小，同时考虑选择适宜的励磁回路开关管占空比变化范围，选定隔离型DC/DC变换器的电压等级。
其中，励磁绕组中的斩波buck电路的功率器件占空比范围，以及隔离型DC/DC变换器变比的关系分析。此buck电路功率器件的占空比为励磁绕组端电压和隔离型DC/DC变换器输出电压的比值。隔离型DC/DC变换器变比为隔离型DC/DC变换器输出电压和直流母线电压的比值，故励磁绕组buck电路占空比也等于buck电路输出电压和母线电压与隔离型DC/DC变换器输出电压变比的乘积的比值。
C、确定励磁回路功率器件占空比调整范围，同时调整电机励磁绕组的匝数、并绕根数、励磁电流大小和隔离型DC/DC变换器的变比至合理的值。
在考虑足够的控制裕度以及功率器件死区的情况下设置buck电路功率器件占空比调节范围。三相电枢绕组的线电压即母线电压，根据应用场合一般为确定的不可更改的值。采用迭代尝试的方法，具体过程如图2所示，包括如下步骤：
1)取隔离型DC/DC变换器的初始变比为k；
2)取励磁绕组的初始并绕根数n＝1；
3)根据额定磁链确定此时励磁绕组匝数、励磁电流大小以及励磁绕组阻抗大小，其中，额定磁链也可理解为磁负荷；
4)计算励磁绕组端电压；
5)计算此时励磁回路功率器件占空比D；
6)判断此时D有无超过设定范围，若超过则继续步骤7)，若未超过则跳到步骤11)；
7)n加1；
8)判断n此时是否为n＝1时确定的电机励磁绕组匝数的约数，若是则跳到步骤3)，若否则继续步骤9)；
9)判断n是否遍历完n＝1时确定的电机励磁绕组匝数的约数，若是则继续步骤10)，若否则跳到步骤7)；
10)重新选取k，跳到步骤2)；
11)结束，磁绕组匝数、励磁电流、以及励磁绕组并绕根数等参数符合要求。
先选择一个隔离型DC/DC变换器变比，将电机励磁绕组并绕根数设为1，根据电机额定磁链确定励磁绕组匝数、励磁电流大小和励磁绕组阻抗，再根据以上参数计算励磁绕组端电压大小，校验此时buck电路功率器件占空比是否在设计范围内。若在此范围内则设计结束，否则将并绕根数加1，同时必须满足并绕根数为并绕根数为1时励磁绕组匝数的约数，若不满足则并绕根数继续加1，直到遇到使得功率器件占空比在设计范围内的参数，或者遍历完所有可能的并绕根数。若遍历完所有可能的并绕根数仍不满足占空比的设计条件，则重新选取一个隔离型DC/DC变换器变比，重复以上选取并绕根数的步骤，直至满足占空比的设计范围，需要说明的是，设计范围，设计条件即为励磁装置各个参数的允许范围。
D、根据隔离型DC/DC变换器输入和输出电压等级，迭代修改电机励磁绕组并绕根数，以及隔离型DC/DC变换器变比k，设计励磁回路斩波电路参数，包括buck电路的电感和电容的选取，功率器件电压、电流等级的选取。
本发明提供的电励磁电机励磁装置及其参数获取方法，适用于所有电励磁电机的情况。该方法通过设计励磁绕组参数以及选用隔离型DC/DC变换器，消除系统中励磁绕组和三相电枢绕组之间的共模电流。主要包括设定母线电压、电机额定磁链和励磁回路功率器件占空比范围，反复修改隔离型DC/DC变换器变比和励磁绕组并绕根数，使得实际占空比在设计范围内。本设计方法和传统方法相比，消除励磁回路和三相回路之间的共模通路，抑制共模电流，且考虑功率器件占空比的优化，从而达到更好的功率器件控制性能。相比于其他参数获取方法，本发明提供的方法相对简单，具有更好的实施性。
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 (3)

1.一种基于电励磁电机励磁装置的参数获取方法，所述电励磁电机励磁装置包括：励磁绕组、励磁绕组buck电路、隔离型DC/DC变换器、三相绕组以及母线电源；所述母线电源与所述三相绕组相连接，用于为所述三相绕组提供母线电压；所述隔离型DC/DC变换器的输入端与所述母线电源相连接，输出端与所述励磁绕组buck电路的输入端相连接，用于将所述母线电源提供的母线电压进行隔离变比以作为励磁绕组buck电路输入电压；所述励磁绕组buck电路的输出端与所述励磁绕组相连接，用于对隔离变比后的母线电压进行斩波，将斩波后得到的电压作为励磁绕组的端电压，所述励磁绕组和所述三相绕组之间通过所述隔离型DC/DC变换器电气隔离；其特征在于，包括：
根据三相绕组母线电压大小、励磁绕组端电压大小以及励磁绕组buck电路包括的功率器件占空比变化范围，选定隔离型DC/DC变换器变比的变化范围；
在所述功率器件占空比变化范围和所述隔离型DC/DC变换器变比的变化范围内确定功率器件的占空比取值和隔离型DC/DC变换器的变比的取值，以使励磁绕组匝数、励磁电流大小、以及励磁绕组并绕根数符合要求。
2.如权利要求1所述的参数获取方法，其特征在于，确定功率器件的占空比取值和隔离型DC/DC变换器的变比的取值，以使磁绕组匝数、励磁电流、以及励磁绕组并绕根数符合要求，包括以下步骤：
1)在隔离型DC/DC变换器变比的变化范围内选取一个变比值；
2)取励磁绕组的并绕根数为1；
3)根据额定磁链确定此时励磁绕组匝数、励磁电流大小以及励磁绕组阻抗大小；
4)计算励磁绕组端电压；
5)计算此时励磁绕组buck电路包括的功率器件占空比；
6)判断步骤5)计算得到的功率器件的占空比是否超过所述功率器件的占空比的变化范围，若超过则继续步骤7)，若未超过则跳到步骤11)；
7)将励磁绕组的并绕根数加1；
8)判断步骤7)得到的励磁绕组的并绕根数是否为励磁绕组并绕根数为1时确定的励磁绕组匝数的约数，若是则跳到步骤3)，若否则继续步骤9)；
9)判断励磁绕组的并绕根数是否遍历完励磁绕组并绕根数为1时确定的励磁绕组匝数的约数，若是则继续步骤10)，若否则跳到步骤7)；
10)在隔离型DC/DC变换器的变比变化范围内重新选取一个变比值，跳到步骤2)；
11)结束。
3.如权利要求1所述的参数获取方法，其特征在于，所述励磁绕组buck电路包括功率器件，所述功率器件的占空比D为：
其中，vfo为励磁绕组端电压，k为隔离型DC/DC变换器的变比，vfi为励磁绕组buck电路输入电压，vdc为母线电压。
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