CN108258974A - 一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路与控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路与控制方法，包括绕组三角形星型连接配置模块，所述绕组三角形星型连接配置模块包括三角形星型连接配置绕组和多个双向晶闸管，所述绕组三角形星型连接配置模块，用于根据电机转速，通过双向晶闸管的开通或关断调节三角形星型连接配置绕组，当电机转速小于第一阈值时，调节三角形星型连接配置绕组为星型连接，当电机转速大于第二阈值时，调节三角形星型连接配置绕组为三角形连接，所述第二阈值大于第一阈值。本发明通过使用双向晶闸管这种电力电子器件，搭建了可靠地绕组动态配置电路，从而实现了在绕组动态配置过程中电流可以可靠续流。

Description

一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路与控制方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，更具体地，涉及一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路与控制方法。

背景技术

永磁同步电机依靠永磁励磁，省去了转子上的励磁绕组结构以及励磁损耗，因此永磁同步电机功率密度大，功率因数高，在车用驱动电机上得到了广泛的运用。由于新能源汽车行驶路况复杂，车速波动大，这要求车用驱动电机拥有很宽的调速范围以及在很宽的工况下均拥有较高的效率。然而由于采用永磁励磁，励磁磁势难以调节，导致电机在高速情况下空载反电势高，极大地影响了控制与可靠性。

为了解决这个问题，现在车用驱动电机在高转速区域普遍采用恒功率弱磁控制策略。该控制方法在高转速区域通过增大d轴反向电流的方法，增大去磁磁场，从而维持电机端电压保持不变，扩大电机高速运行区间。

然而恒功率弱磁策略增大了定子电流中无功电流的比例，从而降低了电机的功率因数与效率，也导致电机在高转速区域转矩波动大。同时，恒功率弱磁策略中电机空载反电势在高转速区域本身远大于控制器的母线电压，只有可靠存在d轴反向电流的情况下电机系统才能正常工作，容错性能差，永磁体退磁风险高。

为了解决这个问题，多种变绕组连接方式的设想被提出，包括星-角转换、三相-双三相转换、变并联支路数等等方式。然而目前这些方法在实现电路上均采用接触器实现对电机绕组的配置。这种方法虽然能够实现动态配置电机绕组的目的，但是会使绕组电流断流，导致电机转矩突降、转速波动，对电机以及新能源汽车冲击大，驾乘人员驾乘体验不佳。同时，接触器体积大，响应速度慢，接触器在断开绕组连接时会产生拉弧现象，噪声响，电磁干扰大，不适合于新能源汽车领域的应用。

由此可见，现有技术存在绕组电流断流、电机转矩突降、转速波动，对电机以及新能源汽车冲击大、接触器体积大、响应速度慢、接触器在断开绕组连接时会产生拉弧现象，噪声响，电磁干扰大的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路与控制方法，由此解决现有技术存在绕组电流断流、电机转矩突降、转速波动，对电机以及新能源汽车冲击大、接触器体积大、响应速度慢、接触器在断开绕组连接时会产生拉弧现象，噪声响，电磁干扰大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路，包括绕组三角形星型连接配置模块，所述绕组三角形星型连接配置模块包括三角形星型连接配置绕组和多个双向晶闸管，

所述绕组三角形星型连接配置模块，用于根据电机转速，通过双向晶闸管的开通或关断调节三角形星型连接配置绕组，当电机转速小于第一阈值时，调节三角形星型连接配置绕组为星型连接，当电机转速大于第二阈值时，调节三角形星型连接配置绕组为三角形连接，所述第二阈值大于第一阈值。

进一步地，配置电路还包括三相绕组和三相逆变器，所述三相绕组的一端与三角形星型连接配置绕组连接，另一端与三相逆变器连接，

所述三相绕组，用于产生电机转矩，同时当三角形星型连接配置绕组切换连接配置时起限流作用，防止三相逆变器输出短路；

所述三相逆变器，用于控制电机转速并输出电机转矩。

进一步地，三角形星型连接配置绕组包括A相配置绕组、B相配置绕组和C相配置绕组，所述多个双向晶闸管包括第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、第三双向晶闸管、第四双向晶闸管和第五双向晶闸管，

所述A相配置绕组的一端与第一双向晶闸管的一个主电极连接，另一端分别与第三双向晶闸管的一个主电极和第四双向晶闸管的一个主电极连接；

所述B相配置绕组的一端与第二双向晶闸管的一个主电极连接，另一端分别与第一双向晶闸管的另一个主电极、第四双向晶闸管的另一个主电极和第五双向晶闸管的一个主电极连接；

所述C相配置绕组的一端与第三双向晶闸管的另一个主电极连接，另一端分别与第二双向晶闸管的另一个主电极和第五双向晶闸管的另一个主电极连接。

进一步地，电机转速小于第一阈值时，第一双向晶闸管、第二双向晶闸管和第三双向晶闸管关断，第四双向晶闸管和第五双向晶闸管导通。

进一步地，电机转速大于第二阈值时，第一双向晶闸管、第二双向晶闸管和第三双向晶闸管导通，第四双向晶闸管和第五双向晶闸管关断。

进一步地，配置电路中串联多个绕组三角形星型连接配置模块，实现绕组三角形星型连接的多级动态配置。

按照本发明的另一方面，提供了一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路的控制方法，包括：

当电机转速小于第一阈值时，通过双向晶闸管的开通或关断调节三角形星型连接配置绕组为星型连接，提高电机线负荷，提高低速转矩；

当电机转速大于第二阈值时，通过双向晶闸管的开通或关断调节三角形星型连接配置绕组为三角形连接，降低电机端电压，减小去磁电流，提高电机性能；

所述第二阈值大于第一阈值。

进一步地，双向晶闸管包括第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、第三双向晶闸管、第四双向晶闸管和第五双向晶闸管，

当电机转速小于第一阈值时，第一双向晶闸管、第二双向晶闸管和第三双向晶闸管关断，第四双向晶闸管和第五双向晶闸管导通；当电机转速大于第二阈值时，第一双向晶闸管、第二双向晶闸管和第三双向晶闸管导通，第四双向晶闸管和第五双向晶闸管关断。

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)本发明解决了使用接触器带来的电流断流导致的电机控制性能问题，同时减小了绕组动态配置电路的体积。本发明通过使用双向晶闸管这种电力电子器件，搭建了可靠地绕组动态配置电路，从而实现了在绕组动态配置过程中电流可以可靠续流。

(2)本发明在电机转速较低时，控制双向晶闸管配置三角形星型连接配置绕组为星型连接模式。从而能够提高电机线负荷，实现低速大转矩。当电机转速较高时，控制双向晶闸管配置三角形星型连接配置绕组为三角形连接模式，从而能够减小电机端电压，减小弱磁电流，提高电机功率因数，充分利用逆变器容量，降低电机转矩波动，提高电机高转速下的输出功率与功率因数。

(3)在切换过程中，由与应用了本发明电路结构，可以实现电流的连续变化，在半个电周期内能够实现绕组三角形星型连接动态配置，三角形星型连接配置切换迅速，转矩波动小，对电路冲击小。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路的结构图；

图2是本发明实施例提供的电机低速旋转情况下的绕组配置；

图3是本发明实施例提供的电机高速选择情况下的绕组配置；

图4是本发明实施例提供的电机绕组配置动态切换过程。

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。

如图1所示，一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路，包括绕组三角形星型连接配置模块、三相绕组A1、B1、C1和三相逆变器，所述绕组三角形星型连接配置模块包括三角形星型连接配置绕组和多个双向晶闸管，三相绕组的一端与三角形星型连接配置绕组连接，另一端与三相逆变器连接。

三角形星型连接配置绕组包括A相配置绕组A2、B相配置绕组B2和C相配置绕组C2，所述多个双向晶闸管包括第一双向晶闸管TR1、第二双向晶闸管TR2、第三双向晶闸管TR3、第四双向晶闸管TR4和第五双向晶闸管TR5，所述A相配置绕组的一端与第一双向晶闸管的一个主电极连接，另一端分别与第三双向晶闸管的一个主电极和第四双向晶闸管的一个主电极连接；所述B相配置绕组的一端与第二双向晶闸管的一个主电极连接，另一端分别与第一双向晶闸管的另一个主电极、第四双向晶闸管的另一个主电极和第五双向晶闸管的一个主电极连接；所述C相配置绕组的一端与第三双向晶闸管的另一个主电极连接，另一端分别与第二双向晶闸管的另一个主电极和第五双向晶闸管的另一个主电极连接。

当低速时采用星形连接时，可以增大电机端电压，从而使用较小的电流产生同样的转矩，减小铜耗，增加电机效率。当高速时采用三角形连接，可以减小电机端电压，使其从星型连接时大于母线电压的情况下减小为小于母线电压，从而不需要进行弱磁操作，省去了弱磁电流，也可以降低逆变器输出电流，从而提高效率，并且还可以提高功率因素，降低转矩波动。绕组三角形星型连接配置模块，接受由控制器给出的配置信号。同时，控制器通过测量三相绕组上的电流信号，控制三相逆变器。绕组三角形星型连接配置模块可以重复串联于同一个电路中，实现绕组三角形星型连接的多级动态配置。

图2是电机处于低转速状态时的电路工作情况。此时，电机转速小于第一阈值，控制器关断双向晶闸管TR1、TR2、TR3，同时导通双向晶闸管TR4与TR5。此时，三角形星型连接配置绕组为星型连接，电机绕组配置为高反电势状态。由于此时电机转速较低，三相绕组A1、B1、C1与三角形星型连接配置绕组A2、B2、C2的反电势e＝ψ·ω较小，串联后线电压依然小于直流母线电压。此时可以充分利用三相逆变器容量，提高电机线负荷，提高低速转矩。

图3是电机处于高转速状态时的电路工作情况。此时，电机转速大于第二阈值，控制器导通双向晶闸管TR1、TR2、TR3，同时关断双向晶闸管TR4与TR5。此时，由于电机转速较高，三相绕组A1、B1、C1的反电势e＝ψ·ω较大，若串联上星型配置的三角形星型连接配置绕组，将导致去磁电流过大，从而导致电机功率因数、效率太低，转矩波动大幅提升，发热严重。因此，通过绕组三角形星型连接配置模块将三角形星型连接配置绕组从星型连接切换为三角形连接，可以降低电机端电压，减小去磁电流，提高电机性能。

图4是电机三角形星型连接配置绕组由星型连接配置向三角形连接配置或者由三角形连接配置向星型连接配置切换的过程。当电机绕组由三角形连接配置向星型连接配置切换时，控制器导通TR1、TR2、TR3，同时给TR4、TR5关断信号。此时TR4、TR5由于还有电流流过，暂时无法关断，起续流作用，直到流过TR4、TR5的电流过零时，双向晶闸管TR4、TR5自动关断，完成切换过程。切换过程不超过半个电周期，绕组三角形星型连接配置切换迅速。电机绕组由三角形连接配置向星型连接配置切换时电路瞬态变化正好相反。绕组三角形星型连接动态分配切换转速由对应的被驱动电机决定，优选的，定义在电机绕组三角形连接配置状态的恒转矩区域与电机绕组星型连接配置状态的恒功率弱磁区域相交点的转速附近。此时，相同电流下电机在三角形星型连接配置间切换时，可以提供相同的转矩，减小了电机绕组三角形星型连接配置切换过程中的瞬态转矩波动。

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 (8)

1.一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路，其特征在于，包括绕组三角形星型连接配置模块，所述绕组三角形星型连接配置模块包括三角形星型连接配置绕组和多个双向晶闸管，

所述绕组三角形星型连接配置模块，用于根据电机转速，通过双向晶闸管的开通或关断调节三角形星型连接配置绕组，当电机转速小于第一阈值时，调节三角形星型连接配置绕组为星型连接，当电机转速大于第二阈值时，调节三角形星型连接配置绕组为三角形连接，所述第二阈值大于第一阈值。

2.如权利要求1所述的一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路，其特征在于，所述配置电路还包括三相绕组和三相逆变器，所述三相绕组的一端与三角形星型连接配置绕组连接，另一端与三相逆变器连接，

所述三相绕组，用于产生电机转矩，同时当三角形星型连接配置绕组切换连接配置时起限流作用，防止三相逆变器输出短路；

所述三相逆变器，用于控制电机转速并输出电机转矩。

3.如权利要求1所述的一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路，其特征在于，所述三角形星型连接配置绕组包括A相配置绕组、B相配置绕组和C相配置绕组，所述多个双向晶闸管包括第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、第三双向晶闸管、第四双向晶闸管和第五双向晶闸管，

所述A相配置绕组的一端与第一双向晶闸管的一个主电极连接，另一端分别与第三双向晶闸管的一个主电极和第四双向晶闸管的一个主电极连接；

所述B相配置绕组的一端与第二双向晶闸管的一个主电极连接，另一端分别与第一双向晶闸管的另一个主电极、第四双向晶闸管的另一个主电极和第五双向晶闸管的一个主电极连接；

所述C相配置绕组的一端与第三双向晶闸管的另一个主电极连接，另一端分别与第二双向晶闸管的另一个主电极和第五双向晶闸管的另一个主电极连接。

4.如权利要求3所述的一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路，其特征在于，所述电机转速小于第一阈值时，第一双向晶闸管、第二双向晶闸管和第三双向晶闸管关断，第四双向晶闸管和第五双向晶闸管导通。

5.如权利要求3所述的一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路，其特征在于，所述电机转速大于第二阈值时，第一双向晶闸管、第二双向晶闸管和第三双向晶闸管导通，第四双向晶闸管和第五双向晶闸管关断。

6.如权利要求1-5任一所述的一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路，其特征在于，所述配置电路中串联多个绕组三角形星型连接配置模块，实现绕组三角形星型连接的多级动态配置。

7.如权利要求1-6任一所述的一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路的控制方法，其特征在于，包括：

当电机转速小于第一阈值时，通过双向晶闸管的开通或关断调节三角形星型连接配置绕组为星型连接，提高电机线负荷，提高低速转矩；

当电机转速大于第二阈值时，通过双向晶闸管的开通或关断调节三角形星型连接配置绕组为三角形连接，降低电机端电压，减小去磁电流，提高电机性能；所述第二阈值大于第一阈值。

8.如权利要求7任一所述的一种电机绕组三角形星型连接动态配置电路的控制方法，其特征在于，所述双向晶闸管包括第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、第三双向晶闸管、第四双向晶闸管和第五双向晶闸管，

当电机转速小于第一阈值时，第一双向晶闸管、第二双向晶闸管和第三双向晶闸管关断，第四双向晶闸管和第五双向晶闸管导通；当电机转速大于第二阈值时，第一双向晶闸管、第二双向晶闸管和第三双向晶闸管导通，第四双向晶闸管和第五双向晶闸管关断。