CN109067292A - 永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器及控制方法，单相整流电路输出正极与第一二极管的阳极连接、输出负极与第一薄膜电容负极、第二开关管发射极、第二薄膜电容负极、三相逆变电路输入负极连接，第一开关管发射极与电感一端、第一二极管阴极连接。第一开关管集电极与第一薄膜电容正极、第二二极管阴极连接，第二开关管集电极与电感L另一端连接，同时与第二二极管和第三二极管的阳极连接，第三二极管的阴极与第三开关管的集电极连接，第三开关管的发射极和第二薄膜电容正极连接，同时与三相逆变电路的输入正极连接，能有效改善现有无电解电容电机驱动系统直流母线电压波动严重、电机静动态性能差的问题。

Description

永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器及控制方法

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，尤其涉及一种用于永磁同步电机驱动系统的无电解电容功率变换器及控制方法。

背景技术

永磁同步电动机(Permanent Magnetic Synchronous Machine，PMSM)具有结构简单、功率密度高、维护方便等优点，在工业应用、家用电器、汽车驱动等领域已逐步取代直流电机和异步电机。该类电机驱动系统需要大容值电解电容维持直流母线电压稳定，为电机高性能运行提供工作条件。然而，电解电容存在寿命短、可靠性低、热稳定性差等缺点，是电机驱动系统故障的主要原因。为提高电机驱动系统的可靠性，其中一个解决方案是采用效率高、寿命长的无电解电容驱动系统，所谓无电解电容驱动系统是采用小容值高压陶瓷电容或薄膜电容替代电解电容作为系统的功率解耦器件，但是小容量电容在吸收电网功率脉动时，直流母线电压存在大幅度波动，进而导致电机输出功率和转矩脉动增加，严重降低了电机的静、动态性能。

目前，无电解电容驱动系统从实现技术出发可分为两大类：第一类是维持电机驱动系统结构不变，使用小容量薄膜电容替代原有大容量电解电容，并通过相应控制技术实现无电解电容驱动系统工作；该类技术需要电机参与驱动系统功率解耦，电机转矩和转速均存在较为严重的波动，仅适用于对电机性能要求不高的场合，如空调压缩机、洗衣机等。第二类是在传统驱动系统结构上通过增加功率解耦电路抑制直流母线电压波动，进而同时提升驱动系统电网侧和电机侧性能；已有电路中，升压型功率解耦电路通过提高直流母线电压等级实现母线电压波动抑制，但是功率器件电压应力和系统成本随之增加；直流母线上并联解耦电路可以在电网电压较低时提升母线电压，有效避免母线电压过低导致电机工作在欠压状态，但存在电网侧功率因数低、电流谐波含量大的缺点；基于Z源构建的功率解耦电路可以有效降低直流母线电压波动，但是存在器件参数一致性要求严格、控制复杂、逆变器直通问题。为此，研究、设计能兼顾电网侧电能质量和电机性能的低成本、简单、易于实现的无电解电容功率变换器是本领域的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于永磁同步电机的无电解电容功率变换器及其控制方法，能在有效抑制直流母线电压波动的同时，具有高输入功率因数、高效率、长寿命、驱动性能优良的特点，能有效改善现有无电解电容电机驱动系统直流母线电压波动严重、电机静动态性能差的问题。

为达到上述目的，本发明永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器采用下述技术方案：由单相整流电路、功率解耦电路和三相逆变电路依次串接组成，功率解耦电路由第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一薄膜电容、第二薄膜电容和电感组成；单相整流电路的输出正极与第一二极管的阳极连接，单相整流电路的输出负极同时与第一薄膜电容的负极、第二开关管的发射极、第二薄膜电容的负极、三相逆变电路的输入负极连接；第一开关管的发射极与电感的一端、第一二极管的阴极连接，第一开关管的集电极与第一薄膜电容的正极、第二二极管的阴极连接；第二开关管的集电极与电感L的另一端连接，同时与第二二极管和第三二极管的阳极连接；第三二极管的阴极与第三开关管的集电极连接，第三开关管的发射极和第二薄膜电容的正极连接，同时与三相逆变电路的输入正极连接。

所述的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器的控制方法采用的技术方案是：当电网输出电流i_g与参考电流之差小于电流滞环宽度ΔI时，第二开关管和第三开关管导通，第一开关管关断，第二薄膜电容通过三相逆变电路给永磁同步电机提供能量；当电网输出电流i_g大于时，第二开关管关断，电网和电感串联给永磁同步电机和第二薄膜电容提供能量，电感L经第二二极管将剩余的能量存储在第一薄膜电容中，所述的参考电流与电网电压同相位。

所述的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器的控制方法采用的技术方案是包括：

A)当第二薄膜电容的电压U_C2大于第二薄膜电容的电压极大值U_{C2_max}时，第一开关管、第二开关管和第三开关管同时关断，电网和电感串联向第一薄膜电容传输能量，第二薄膜电容通过三相逆变电路单元给永磁同步电机提供能量；

B)当第二薄膜电容的电压U_C2小于第二薄膜电容的电压极小值U_{C2_min}时，第二开关管关断，第一开关管和第三开关管导通，第一薄膜电容和电网经电感串联向永磁同步电机和第二薄膜电容提供能量；

C)当第二薄膜电容的电压U_C2介于U_{C2_max}和U_{C2_min}之间时，第一开关管和第二开关管关断，第三开关管导通，电网向第二薄膜电容和永磁同步电机提供能量，第一薄膜电容上的电压不变。

本发明采用上述技术方案后具有以下有益效果：

1)本发明利用构建的单电感有源功率解耦电路，匹配相应的控制，在有效抑制直流母线电压波动的同时，还具有高输入功率因数、高效率、长寿命、驱动性能优良的特点，能有效改善现有无电解电容电机驱动系统直流母线电压波动严重、电机静动态性能差的问题。

2)本发明的功率解耦电路控制电网输出电流跟踪电网电压变化，有效降低电网输出电流的谐波含量，有效实现电机、电网控制解耦，可实现电网输出电流低谐波、高功率因数的运行，在保证电机运行性能的前提下，有效提高电网侧电能质量。

3)本发明采用的功率解耦电路通过第一薄膜电容吸收、释放能量对脉动的电网功率削峰填谷，根据电网脉动功率与电机功率的差异，控制第一薄膜电容能量的吸收和释放，大幅度降低了直流母线电压的波动系数，为电机高性能运行提供基本条件。

4)本发明采用单电感设计，可同时用于电网侧电能质量控制和直流母线输出电流纹波抑制，第一薄膜电容上的电压设计为大脉动电压的工作形式，有效降低第一薄膜电容容量，从而在小容值非电解电容(如薄膜电容等)情况下提高脉动能量的储存能力，便于降低无电解电容驱动系统的体积和成本。

5)本发明功率变换器直流母线的平均电压低于电网峰值电压，可直接使用现有的三相逆变器，降低了驱动系统成本，便于现有驱动系统的升级和改造；

6)本发明能实现电网侧电能控制与电机控制相互独立，在兼顾直流母线电压和电网侧电能质量的同时，简化了控制器的设计。

附图说明

图1是本发明提出的用于永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器的结构框图；

图2是图1中电网输出功率p_g特性示意图；

图3是图1中功率解耦电路功率P_buf特性示意图；

图4是图1中永磁同步电机的输入功率P_M特性示意图；

图5是图1所示无电解电容功率变换器中的第一开关管S₁关断、第二开关管S₂和第三开关管S₃导通时功率解耦电路的等效工作原理图；

图6是图1所示无电解电容功率变换器中的第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管S₃同时关断时功率解耦电路的等效工作原理图；

图7是图1所示无电解电容功率变换器中的第二开关管S₂关断、第一开关管S₁和第三开关管S₃导通时功率解耦电路的等效工作原理图；

图8是图1所示无电解电容功率变换器中的第一开关管S₁和第二开关管S₂关断、第三开关管S₃导通时功率解耦电路的等效工作原理图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明提出的用于永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器由单相整流电路1、功率解耦电路2和三相逆变电路3依次串接组成。单相整流电路1的输入端与电网相连，单相整流电路1的输出端的正极与功率解耦电路2的正极相连，单相整流电路1输出端的负极与功率解耦电路2的负极和三相逆变电路3的负极相连。三相逆变电路3的输入端的正极与功率解耦电路2的输出端的正极相连，三相逆变电路3的输出端连接永磁同步电机4的三相绕组。功率解耦电路2是单电感功率解耦电路。

功率解耦电路2由第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第一薄膜电容C₁、第二薄膜电容C₂和电感L组成。每个开关管都自带反向二极管，即每个开关管的发射极和集电极之间连接一个二极管。

单相整流电路1的输出正极与第一二极管D₁的阳极连接，单相整流电路1的输出负极同时与第一薄膜电容C₁的负极、第二开关管S₂的发射极、第二薄膜电容C₂的负极、三相逆变电路3的输入负极连接。第一开关管S₁的发射极与电感L的一端、第一二极管D₁的阴极连接。第一开关管S₁的集电极与第一薄膜电容C₁的正极、第二二极管D₂的阴极连接。第二开关管S₂的集电极与电感L的另一端连接，同时与第二二极管D₂和第三二极管D₃的阳极连接。第三二极管D₃的阴极与第三开关管S₃的集电极连接，第三开关管S₃的发射极和第二薄膜电容C₂的正极连接，同时与三相逆变电路3的输入正极连接。

第一薄膜电容C₁用于存储、释放电网脉动能量，稳定直流母线电压。当功率解耦电路2断开时，由第二薄膜电容C₂向永磁同步电机4提供能量。第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管S₃的开关频率相同，电感L在第二开关管S₂作用下控制电感L的电流，从而控制电网输出电流，实现驱动系统高功率因数、低电流谐波运行。第一薄膜电容C₁上的能量在第一开关管S₁和第三开关管S₃协调作用下抑制直流母线电压波动。

本发明所述的无电解电容功率变换器工作时，输出输入功率及功率解耦电路2的工作关系如图2、3、4所示。其中，电网输出功率p_g以两倍电网频率变化，如图2所示。当电网输出功率p_g大于永磁同步电机4的输入功率P_M时，功率解耦电路2吸收电网多余能量，第一薄膜电容C₁充电；当电网输出功率p_g小于永磁同步电机4的输入功率P_M时，功率解耦电路2放电释放能量用于电机工作，稳定了永磁同步电机4的输入功率P_M，如图3所示，其中P_buf代表功率解耦电路2的功率。通过功率解耦电路2对电网输出功率的削峰填谷作用，从而稳定了永磁同步电机4输入功率P_M，如图4所示。

本发明所述的无电解电容功率变换器工作时，实现两个控制目标：目标一是通过对第二开关管S₂的控制，控制电网输出电流跟踪电网电压相位变化，实现电网侧功率因数近似为1及降低电流谐波的控制，提高电网侧电能质量；目标二是控制第一薄膜电容C₁工作在大脉动电压状态，利用较小薄膜电容实现电网脉动功率的吸收，通过对第一薄膜电容C₁存储能量进行控制，对电网脉动能量的存储和释放，有效抑制直流母线电压波动，为电机运行性能提高提供条件。具体如下：

控制目标一：根据电网实际工作电流和参考工作电流的关系，采用滞环控制实现电网侧电能质量控制。具体过程是：当电网输出电流i_g与参考电流之差小于电流滞环宽度ΔI时，第二开关管S₂导通，第一开关管S₁关断，第三开关管S₃导通，如图5所示。此时，电流经过第一二极管D₁，电感L和第二开关管S₂，电网输出电流i_g上升，电网输出功率存储在电感L上，第二薄膜电容C₂通过三相逆变电路3给永磁同步电机4提供能量，该过程直至电网输出电流i_g大于时结束。当电网输出电流i_g大于时，第二开关管S₂关断，电网和电感L串联，给永磁同步电机4和第二薄膜电容C₂提供能量，电感L经第二二极管D₂将剩余的能量存储在第一薄膜电容C₁中，直至电网输出电流i_g小于-ΔI时结束。参考电流与电网电压同相位，电网输出电流在和的范围内变化，改善了电网侧的电能质量。

为确保无电解电容驱动系统获得高电能质量，电感L工作在电流连续模式，当第二开关管S₂和第三开关管S₃导通时，应能使电感L起到校正电网侧电流和储能的作用，根据电感电压、电流方程可得：

式中u_L、i_L分别是电感L的电压和电流。电感L通过公式(1)演算可得：

式中ΔI为电流滞环宽度；f_s2是第二开关管S₂的工作频率。D_max是第二开关管S₂的最大占空比。U_g代表电网电压的幅值，取311V。

控制目标二：结合控制目标一的要求，控制目标二的方法只有在第二开关管S₂关断时才能实现，通过对第二薄膜电容C₂上的电压进行控制，抑制了直流母线电压波动。其具体控制过程如下：

A)当第二薄膜电容C₂的电压U_C2(即直流母线电压)大于第二薄膜电容C₂的电压极大值U_{C2_max}时，第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管S₃同时关断，如图6所示，电网和电感L串联，向第一薄膜电容C₁传输能量，电网输出功率存储在第一薄膜电容C₁中，第一薄膜电容C₁上的电压迅速上升，第二薄膜电容C₂通过三相逆变电路3单元给永磁同步电机4提供能量。

B)当第二薄膜电容C₂的电压U_C2小于第二薄膜电容C₂的电压极小值U_{C2_min}时，第二开关管S₂关断，第一开关管S₁和第三开关管S₃导通，如图7所示，第一薄膜电容C₁和电网经电感L串联，联合向永磁同步电机4和第二薄膜电容C₂提供能量，第一薄膜电容C₁上的电压迅速下降，同时结合上述控制过程A)的第一薄膜电容C₁，构成了大脉动的纹波电压，存储更多的能量。

C)当第二薄膜电容C₂的电压U_C2介于U_{C2_max}和U_{C2_min}之间时，第二开关管S₂关断，第一开关管S₁关断，第三开关管S₃导通，如图8所示，电网向第二薄膜电容C₂和永磁同步电机4提供能量，第一薄膜电容C₁上的电压基本不变。

第一薄膜电容C₁工作在较大脉动电压状态，有助于其储存能量增加，可更好的抑制直流母线电压波动。

对第一薄膜电容C₁的电压极值U_{C1_max}、U_{C1_min}，第二薄膜电容C₂的电压极值U_{C2_max}、U_{C2_min}以及第一薄膜电容C₁、第二薄膜电容C₂的容值进行整定如下：

假设电网输出电流和电网电压同相位，则电网输出功率p_g为：

式中U_g、I_g分别是电网电压和电网输出电流的幅值，ω_g为电网的角频率，P_M为电机功率。由式(3)可知，电网输出功率p_g以电网频率的2倍脉动，而永磁同步电机4的输入功率P_M为恒定的。在电网输出功率p_g大于永磁同步电机4的输入功率P_M时吸收能量，在小于永磁同步电机4的输入功率P_M时释放能量，从而实现驱动系统采用小容量薄膜电容功率解耦。在半个电网周期内，且电网输出功率p_g大于永磁同步电机4的输入功率P_M时，电网输出的脉动能量ΔW为：

式(4)表明：在电网角频率ω_g不变条件下，电网输出的脉动能量ΔW和永磁同步电机4的输入功率P_M成正比关系。与电容相比，电感存储能量可以忽略不计，故有：

公式(5)为系统的能量守恒公式，式中U_{C1_max}、U_{C1_min}分别是第一薄膜电容C1的电压极大值、极小值，U_{C2_max}、U_{C2_min}分别是第二薄膜电容C₂的电压极大值、极小值。其中，U_{C1_max}由第一开关管S1或第一薄膜电容C₁的额定电压决定，在实际使用中第一开关管S₁电压等级一般为1000V，考虑到第一开关管S₁关闭时电压存在脉冲，U_{C1_max}取2/3的额定电压，即U_{C1_max}可定为670V。

由第一二极管D₁、第二二极管D₂、电感L和第二开关管S₂构成了升压电路。其中，第一薄膜电容C₁的最小电压u_{C1_min}为升压电路的输出，即：

式中D_max是第二开关管S₂的最大占空比。电网电压的幅值为311V，考虑到公式(6)及相关裕度，u_{C1_min}取404V。

第一薄膜电容C₁的电压u_C1和电流i_C1的关系为：

式中i_C1是流过第一薄膜电容C₁上的电流，从式(7)中得出：容值C₁越大，i_C1越大，导致电网输出电流中含有较大的纹波。为了有效的控制电网输出电流，容值C₁应根据式(7)合理选择，本发明中容值C₁取10uf。

第三开关管S₃关断时，如图5、图6所示，需要由第二薄膜电容C₂单独向三相逆变电路3提供能量，因此，第二薄膜电容C₂的容值比较大，本发明中容值C₂取40uf。

第二薄膜电容C₂为升压电路的输出，输出电压大于电网电压的幅值为311V。通常能量由高电势点流向低电势点，第二薄膜电容C₂电压极大值U_{C2_max}可以设置为311V，便于能量向电机侧流动。第一薄膜电容C₁的容值、第二薄膜电容C₂的容值和电压极大值以及第一薄膜电容C₁的电压极值已经确定，结合公式(5)可以推出第二薄膜电容C₂的电压极小值。

无论电网输出功率p_g和电机功率P_M如何变化，能量的流动方向为高电势点流向低电势点，控制直流母线电压大小的变化就可以实现功率的流动，因此本发明提出的控制方法为直接控制直流母线电压，即第二薄膜电容C₂的工作电压。

本发明不局限于上述具体实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明公开的内容进行多种实施方式。应理解上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器，由单相整流电路、功率解耦电路和三相逆变电路依次串接组成，其特征是：功率解耦电路由第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一薄膜电容、第二薄膜电容和电感组成；单相整流电路的输出正极与第一二极管的阳极连接，单相整流电路的输出负极同时与第一薄膜电容的负极、第二开关管的发射极、第二薄膜电容的负极、三相逆变电路的输入负极连接；第一开关管的发射极与电感的一端、第一二极管的阴极连接，第一开关管的集电极与第一薄膜电容的正极、第二二极管的阴极连接；第二开关管的集电极与电感L的另一端连接，同时与第二二极管和第三二极管的阳极连接；第三二极管的阴极与第三开关管的集电极连接，第三开关管的发射极和第二薄膜电容的正极连接，同时与三相逆变电路的输入正极连接。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器，其特征是：电网输出功率大于永磁同步电机的输入功率时，功率解耦电路吸收电网多余能量，第一薄膜电容充电；电网输出功率小于永磁同步电机的输入功率时，功率解耦电路放电释放能量。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器，其特征是：第一开关管、第二开关管、第三开关管的发射极和集电极之间均各连接一个第四二极管。

4.一种如权利要求1所述的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器的控制方法，其特征是：当电网输出电流i_g与参考电流之差小于电流滞环宽度ΔI时，第二开关管和第三开关管导通，第一开关管关断，第二薄膜电容通过三相逆变电路给永磁同步电机提供能量；当电网输出电流i_g大于时，第二开关管关断，电网和电感串联给永磁同步电机和第二薄膜电容提供能量，电感L经第二二极管将剩余的能量存储在第一薄膜电容中，所述的参考电流与电网电压同相位。

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器的控制方法，其特征是：当第二开关管和第三开关管导通时，电感U_g是电网电压的幅值；D_max是第二开关管的最大占空比；ΔI为电流滞环宽度；f_s2是第二开关管的工作频率。

6.一种如权利要求1所述的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器的控制方法，其特征是包括：

A)当第二薄膜电容的电压U_C2大于第二薄膜电容的电压极大值U_{C2_max}时，第一开关管、第二开关管和第三开关管同时关断，电网和电感串联向第一薄膜电容传输能量，第二薄膜电容通过三相逆变电路单元给永磁同步电机提供能量；

B)当第二薄膜电容的电压U_C2小于第二薄膜电容的电压极小值U_{C2_min}时，第二开关管关断，第一开关管和第三开关管导通，第一薄膜电容和电网经电感串联向永磁同步电机和第二薄膜电容提供能量；

C)当第二薄膜电容的电压U_C2介于U_{C2_max}和U_{C2_min}之间时，第一开关管和第二开关管关断，第三开关管导通，电网向第二薄膜电容和永磁同步电机提供能量，第一薄膜电容上的电压不变。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器的控制方法，其特征是：第一薄膜电容的容值C₁为10uf，第二薄膜电容的容值C₂为40uf，第二薄膜电容电压极大值U_{C2_max}为311V。

8.根据权利要求6所述的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器的控制方法，其特征是：第一薄膜电容的电流u_C1是第一薄膜电容的电压，C₁是第一薄膜电容的容值。