CN107852125A - 多相电机的调制设计 - Google Patents

Abstract

一种用于六相电动机的电力系统，具有第一组三相线圈和第二组三相线圈。第一脉宽调制器在转换频率与第一相位下工作，其将直流电源转换成交流电流来驱动所述电动机。所述第一脉宽调制器被电性地连接到所述第一组三相线圈。相似地，第二脉宽调制器也在同样的转换频率下与第二相位下工作，其将直流电力转换为交流电流来驱动所述第二组三相线圈。所述第一及第二脉宽调制器的所述第一及第二相位彼此之间存在80‑100度的相位差。

Description

多相电机的调制设计

相关申请的交叉引用

本申请要求在2015年6月11日提出申请的申请号为62/174,205的美国临时申请的优先权，该美国临时申请的内容通过引用方式被并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于多相电机的电源。

背景技术

三相电压源逆变器(VSI)通常被用于将直流电压转换成交流电压来驱动电机。传统上，VSI通过使用脉宽调制(PWM)技术和电源装置将直流电压调制成三相交流电压。所述三相交流电压的相位通常间隔120度。

为了让VSI产生交流电压，其必须具有直流电压供给。这些直流电压供给通常被通过内部储能装置，例如电容，提供到逆变桥。然而，其他类型的存储装置也是可行的。正是这些储能装置在PWM期间提供了所述开关逆变器需要的瞬时电流。

由于开关逆变器的功率转换性质，相位电流被通过PWM的占空比与平均的直流母线电流相关联。在较大的占空比期间，供给电流到达相位电流。相反地，当PWM的占空比较小时，相位电流远远大于平均的供给电流。当这种情况发生时，所述储能装置，通常为电容器，需要传送比平均电流消耗大得多的电流脉冲。这种电流脉冲对所述储能装置产生很大的纹波电流负载。因此，所述储能装置必须被设计用来容纳这些纹波电流。这通常需要电容具有较大的尺寸和/或较高的质量，这些都会增加到VSI的整体成本中。

在给定的电气功率下增加相位计数能够降低储能装置上的纹波电流负载，但是只有当相位角均匀分布时才可以。例如，对于三相电机，相位角应该是120度；对于六相电机，相位角应该是60度，等等。

一种构建六相电机的方法是将两个三相电机构建到单个框架中。所述两个三相电机将会具有两套具有三角形或者星形配置的三相线圈、以及单个转子。所述线圈绕组可以或者可以不被磁性地耦接在一起或者被缠绕在同一个定子上，但是被彼此电性隔离。

这样的多相电机能够被以一定的方式驱动，例如将物理缠绕角度与纹波电流隔离。例如，假定有两组三相线圈，每组三相线圈具有120度的相位差。这样，所述两组三相线圈的相位角可以彼此之间具有在0度到60度之间的相位差。如果所述相位差为0度，所述两组三相线圈实质上是作为两部并联的三相电机进行工作。相反地，如果所述两组三相线圈之间的相位差为60度，所述电机将会是完全平衡的六相电机，其每个相位为60度。

如果所述两组三相线圈被用普通的SVM或者其他的调制方案来驱动，在所述两个线圈组之间的相位差为0度时，纹波电流将会等效于具有组合在一起的两台并联的电机的功率的单台大型三相电机。相反地，如果所述两组三相线圈之间的相移为60度，则纹波电流将会等于具有同样功率的六相电机的纹波电流。

减少来自电压源逆变器的纹波电流的总量，尤其是在所述PWM频率的占空比较小时，将会是非常可取的方案。纹波电流的减少将会允许较为廉价的电容或者其他存储装置被与逆变器共同使用，从而降低逆变器的整体成本。

发明内容

本发明提供一种用于电压源逆变器的调制方案，其克服了在上面所论述的先前已知的逆变器的缺点。

简言之，本发明提供了一种三相电压源逆变器，其与先前已知的逆变器相似，包括两组三相线圈。这些线圈可以是具有星形或者三角形的配置，并且对于每一组线圈而言，所述线圈相对于彼此在相位上偏差60度。所述电压源逆变器被设计用来与六相电机共同使用。这样，所述两组线圈之间的相位偏差或者相位差异可以在0度到60度之间任意变化。作为被驱动的六相电动机需求的功能，所述两组线圈之间的实际上选定的相位差将会发生变化。

如同先前已知的电压源逆变器一样，PWM被用来将来自直流储能装置，通常是电容的直流电压转换成交流电压。相对较高的PWM频率，例如20千赫，被用作调制频率。

然而，不同于先前已知的电压源逆变器，所述两组线圈之间的PWM频率的相位角被彼此偏离80到100度，并且优选地基本上偏离90度。所述两个PWM频率之间的这种相位差被用来调制来自于直流存储装置的功率，并且已经发现，相对于所述两个PWM频率之间的其他相位角度差异，该相位差显著地减少了到达直流存储装置，亦即电容的纹波电流。由于到达直流存储装置的纹波电流被减少了，因此不需要牺牲性能就可以使用更加廉价的直流存储装置。

附图说明

参考下面的具体描述，当结合附图对其进行阅读时，将会获得对于本发明的更好的理解。其中，相同的参考符号在多幅附图中都指的是相同的部分，并且其中：

图1为显示出两个PWM调制器的示意图；

图2为现有技术中的说明脉宽调制的图表，其中用于每个线圈绕组的脉宽调制彼此处于对应的相位；

图3是与图2相似的示意图，但是说明了当两个线圈绕组的PWM频率相对于彼此在相位上偏移90度时的情况；以及

图4是说明了对用于切换两组线圈的两个PWM频率的相位角进行改变的效果的图表。

具体实施方式

首先参阅图1，作为六相电压源逆变器的一部分，两个PWM调制器10和12在此被示出。由于这两个调制器在大体结构上是相同的，仅有调制器10将会被描述，应当理解的是相似的描述应该也适用于调制器12。

所述PWM调制器10为它的位于输出14的三个相位产生较高侧和较低侧的栅极信号。所述栅极信号在三相逆变桥中被施加到它们的相应的电源装置15，以在电动机线圈17中产生三相电流。

三相电压源16被与每个交流电压输出14相关联。每个电压源16被通过比较器18电性连接到它的相关联的输出14。所述三相电压源16的电动机频率由电动机的每分钟的转数和极数确定，通常在1到数百赫兹之间。

PWM三角波发生器20作为第二输入被连接到每个比较器18。所述PWM发生器20在实质上比最大的期望电机频率，例如20千赫更高的频率下工作，并且优选地产生三角形的波形。所述三角形的波形被与三相电压源16进行比较以在来自于调制器10的输出14处产生脉宽被调制过的信号。任何传统手段都可以被用于为所述调制器10产生脉宽调制，例如微处理器、ASIC等等。

现在参阅图2，假定从用于调制器10及12两者的三角波发生器20输出的三角波处于相对于彼此的相位上，实际上就产生了单个的三角形波形30，在其中来自所述两个三角波发生器20的输出信号是彼此同相的。这种信号被接着与三相正弦波源进行比较，用以产生脉冲宽度信号32，用作从所述调制器10及12的输出。

现在参阅图3，与先前已知的VSI不同，来自所述PWM三角波发生器的输出34和36并非如同图2中所示的那样在相位上同步，而是相对于彼此在相位上相差80度到100度，并且优选地基本上相差90度。一个三角形信号34受到脉宽调制以在调制器10上控制它的相关的开关装置18，而第二个三角波形36被用来控制用于第二调制器12的开关信号的脉宽调制。

现在请参阅图4，其示出了一幅图表，说明了将一个PWM频率的相位相对于另一个PWM频率的相位进行相移的效果。具体而言，栏40列出了所述两个调制器之间的三相正弦波源16之间的相位差。因此，行42示出了相对于彼此处于同步状态的两个三相输出，而行44及46分别表示出来自相对于彼此在相位上分别相差30度和60度的所述两个调制器10和12的交流输出电压。这样，当所述输出交流电压的相位差彼此同相时，它就等效于单台三相电机。相反地，当所述相位角被偏移60度，如行46中所示，则得到平衡式六相电机。在栏44中示出的三十度的相移仅仅是作为示例而被选择的。

还应当注意的是，在行42-46中，处于用于两个调制器10及12的PWM频率之间的栏64中的相位角偏移或者TRJ角是彼此同相的。这种情况相应地会产生纹波电流，其大小处于平衡式六相电机的111安培到两个并联的三相电机的155安培之间。

仍然参阅图4，栏48-62都表示一种电压源逆变器，其在来自所述两个调制器10和12的三相交流电流输出之间具有30度的相移。然而，在栏64中，PWM波调制器之间的相位角从0到180度变化。在进行这样的操作时，在栏66中示出的纹波电流从在0度和180度相位角下的高达大约125安培降低到在90度的相移之下的低至大约87安培。

因此，通过在80度到100度之间改变所述两个调制器之间的所述PWM频率之间的相移，并且优选地将其改变到基本上90度，纹波电流就可以产生显著的降低。

因此，可见的是，本发明提供了一种用于六相电机的电力系统。所述电力系统包括第一组三相线圈和第二组三相线圈。

工作在例如10千赫以上，并且优选20千赫以上的转换频率下、以及第一相位下的第一脉宽调制器被电性连接到所述第一组三相线圈。所述第一脉宽调制器将直流电源转换成交流电流，用来给电机供电。所述第一脉宽调制器被电性连接到所述第一组相位线圈。

相似地，所述第二脉宽调制器也在与所述第一脉宽调制器相同的转换频率下、以及第二电气相位下工作。所述第二脉宽调制器将直流电源转换成交流电流，用来给所述第二组三相线圈供电。所述第二脉宽调制器被电性连接到所述第二组三相线圈。

所述第一及第二脉宽调制器的第一及第二相位优选地相对于彼此相差80-100度，并且更加优选地相差90度。通过使来自所述两个脉宽调制器的输出的相位之间形成相位差，这两个三相线圈组的峰值纹波电流与先前已知的其中两个三相线圈被彼此同相地通电激励的六相电机相比。

从以上描述中，可以看出的是，本发明提供了一种用于六相电机的电力系统，其大大减小了电气线圈的峰值纹波电流。本人的发明已经被描述在此，但是只要没有偏离由随附的权利要求的范围所限定的本发明的精神，本发明所涉及的对它的多种修改对于本领域技术人员将会是显而易见的。

本人提出权利要求：

Claims (4)

1.一种用于六相电动机的电力系统，包括：

第一组三相线圈；

第二组三相线圈；

在转换频率下以及第一相位下工作的第一脉宽调制器，其将直流电源转换成交流电流，所述第一脉宽调制器被电性地连接到所述第一组三相线圈；

在所述转换频率下以及第二相位下工作的第二脉宽调制器，其将所述直流电源转换成交流电流，所述第二脉宽调制器被电性地连接到所述第二组三相线圈；

其中，所述第一及第二相位彼此之间存在相位差。

2.如权利要求1中所限定的发明，其中，所述第二相位与所述第一相位之间的相位差为80度到100度。

3.如权利要求2中所限定的发明，其中，所述第二相位与所述第一相位之间的相位差基本上为90度。

4.如权利要求1中所限定的发明，其中，所述转换频率超过10千赫。