CN110380669B - 一种30度移相角的双三相永磁交流电机协同开关方法 - Google Patents

一种30度移相角的双三相永磁交流电机协同开关方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种30度移相角的双三相永磁交流电机协同开关方法，首先运用空间向量调制策略得到七段开关策略下的开关序列，对该开关序列进行模式调整进而得到同步五段开关策略下的开关序列，再进一步重新排列最终得到协同开关策略下的开关序列，利用该开关序列产生脉冲作用于两个逆变器。该方法减小了双逆变器的直流母线电流纹波重叠而成的总直流电流纹波。

Description

一种30度移相角的双三相永磁交流电机协同开关方法
技术领域
本发明涉及一种30度移相角的双三相永磁交流电机协同开关方法，属于电机驱动与控制技术领域。
背景技术
永磁交流电机由于具有高功率密度，高效率和高功率因数的优点而被广泛用于各种工业应用中。永磁交流电机需要调整气隙磁通量，以减少磁通量或优化效率。d轴电流通常用于调节永磁交流电机中的气隙通量。然而，连续使用d轴电流分量会导致转矩电流分量减小，即q轴电流分量减小。此外，还会出现额外的功率损耗。为了有效地调整永磁交流电机中的气隙磁通量，最近已经提出了磁通可调永磁交流电机，即记忆电机。记忆电机采用铝镍钴(AlNiCo)或钐钴(SmCo)作为励磁源。与广泛使用的钕铁硼(NdFeB)相比，铝镍钴(AlNiCo)和钐钴(SmCo)具有更低的矫顽力。因此，可以利用大的励磁电流改变电机工作期间的永磁磁通密度。此外，可以在一段时间后去除励磁电流，从而可以避免由连续励磁电流引起的功率损耗。
双三相复合永磁交流电机根据永磁体的位置主要分为两类：转子型复合永磁电机和定子型复合永磁电机。与定子型复合永磁电机相比，转子型复合永磁电机已在工业上更广泛地商业化。但转子型复合永磁电机在线调节磁通仍然具有挑战性。原因在于磁化或退磁电流通常具有较大的值，而且它们与转矩电流共用一个电枢绕组。大电枢电流需要功率逆变器中的半导体器件承受较大电流应力。此外，大电枢电流通过功率逆变器直流母线，不可避免地将在直流母线电容中产生很大的电流应力。
多相电机是一种很有前景的解决方案，通过使用更多的逆变器支路来分担电枢电流，从而减少功率器件上的大电流应力。与三相电机相比，多相电机在降低转矩纹波和提高容错能力方面具有更好的性能。传统的多相电机同步开关策略由于两台逆变器之间调制策略没有优化，会产生严重的电流纹波。因此，有研究者提出了交错开关策略，可以减少直流母线中的大电流脉冲。然而，之前的研究工作主要集中在两个三相绕组的相角是同相或异相的双三相永磁电机上，对移相角为30度的双三相永磁电机研究甚少。实际上，交错开关策略并不是移相角为30度的双三相复合永磁电机充(去)磁过程中的最佳策略。
发明内容
发明目的：本发明提出一种30度移相角的双三相永磁交流电机协同开关方法，减少复合永磁电机负载运行以及充去磁过程中产生的直流母线电流纹波。
技术方案：本发明提出一种30度移相角的双三相永磁交流电机协同开关方法，包括以下步骤：
根据转子位置得到电机对应的工作扇区，运用两步空间向量调制策略，从而得到第一电压源逆变器和第二电压源逆变器的在同步七段开关策略下的开关序列；
对得到的开关序列进行模式调整，得到第一电压源逆变器和第二电压源逆变器的在同步五段开关策略下的开关序列；
测量出第一电压源逆变器产生的母线电流纹波IDC1+和第二电压源逆变器产生的母线电流纹波IDC2+；
对得到的开关序列重新排列，得到协同开关策略下的开关序列；
将重新排列的开关序列产生开关脉冲作用于第一电压源逆变器和第二电压源逆变器，使电机正常运转。
所述两步空间向量调制策略又包括：
利用两组外部电压矢量来产生12个在xy子平面上为零分量的无谐波电压矢量；
采用12个无谐波电压矢量来合成参考电压，其中，四个原始的非零电压矢量将参与参考电压矢量的合成，因为每一个无谐波矢量由两个原始的非零电压矢量组成。通过组合高电压电平，在每个开关间隔内发生一次导通和一次关断动作。通过两步空间向量调制策略导出的同步七段开关策略，在每半个开关周期中，有四种开关状态。
所述模式调整通过将同步七段开关策略中三相电压脉冲波形同时减去最窄电压脉冲波形，获得同步五段开关策略。
其中每半个开关周期中存在三种开关状态。
所述重新排列是根据矢量控制原理中一个开关周期内非零矢量作用时间不变，则合成矢量大小方向均不变的特点，改变矢量作用顺序，将同步五段开关策略的开关序列变换成协同开关策略的开关序列。
有益效果：本发明采用协同开关策略产生开关序列并改变直流母线电压，通过双逆变器的协同工作，减小双逆变器的直流母线电流纹波重叠而成的总直流电流纹波。
附图说明
图1为双三相复合永磁交流电机二维结构图；
图2为双三相复合永磁交流电机驱动电路拓扑；
图3为双三相复合永磁交流电机控制系统框图；
图4为两步空间向量调制策略；
图5为协同开关策略流程图；
图6为不同开关策略的示意图；
图7为不同开关策略下双三相复合永磁交流电机负载运行时的直流母线电流；
图8为不同开关策略下双三相复合永磁交流电机进行磁化时的直流母线电流。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些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同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一个八极四十八槽双三相复合永磁交流电机包括定子1.1、转子1.3、两对钕铁硼永磁体1.5、两对铝镍钴永磁体1.4以及定子绕组1.2。其中每一对铝镍钴永磁体1.4相对地安装在转子上，两对铝镍钴永磁体1.4之间相邻安装，两对钕铁硼永磁体1.5的安装方式与两对铝镍钴永磁体1.4相同，以保持转子中的机械平衡。在两个三相绕组之间存在一个30度的电气偏移角。功率变换器拓扑结构如图2所示，包括三相交流电源2.1、滤波电容2.2、第一电压源型逆变器2.3、第二电压源型逆变器2.4和双三相复合永磁交流电机2.5。
如图3所示，现有技术中30度移相角的双三相永磁交流电机的控制框架通常包括以下步骤：
首先检测电机3.8转子的初始位置，利用编码器3.7采集电机位置信号并送入控制器进行信号处理，得到电机转速3.5和转子位置角。然后将电机转速和给定转速(控制电机时设置的转速)比较后得到转速偏差信号，该转速偏差信号经过速度调节器处理后得到的信号作为交轴电流参考值。
采集电机主电路相电流，其中相电流经基于矢量空间解耦的坐标变换3.4和派克变换3.6后得到两相旋转坐标系下的直轴电流和交轴电流以及电流谐波分量。
利用逆派克变换3.3，得出转矩子平面的参考电压，即αβ子平面。
将两步空间向量调制(SVM)策略3.9用于调制αβ子平面上的电压并产生作用于逆变器的开关脉冲。
设计闭环控制器3.1产生逆变器3.2的开关脉冲的扰动，用于抑制谐波子平面(xy子平面)上的分量。
图3中参数iA,iB,iC,iD,iE,iF是电机各相电流；UA,UB,UC,UD,UE,UF是电机各相电压；iα，iβ是αβ子平面电流分量；Uα，Uβ是αβ子平面电压分量；ix，iy是xy子平面电流分量；Ux，Uy是xy子平面电压分量；id，iq分别为直轴电流，交轴电流；Ud，Uq分别为直轴电压，交轴电压；θe是电机电角度；ωr *，ωr分别为参考转速和实际转速。
图4中SA,SB,SC是绕组ABC桥臂开关状态。定义Sx＝1时，上桥臂导通；Sx＝0时，下桥臂导通(x＝A,B,C)。T1是同步七段开关策略下第一个开关状态改变时对应的时间，T2是同步七段开关策略下第二个开关状态改变时对应的时间，T3是同步七段开关策略下第三个开关状态改变时对应的时间，△T是零矢量作用时间的四分之一，TS是一个开关周期时间。
如图5所示，本实施例针对两步空间向量调制策略3.9提出一种30度移相角的双三相永磁交流电机协同开关方法包括以下步骤：
1)根据转子位置得到电机对应的工作扇区，运用两步空间向量调制策略(两步SVM)，从而得到第一电压源逆变器2.3和第二电压源逆变器2.4的在同步七段开关策略下的开关序列。
两步空间向量调制策略又包括：
第一步，利用两组外部电压矢量来产生12个在xy子平面上为零分量的无谐波电压矢量。
第二步中，采用12个无谐波电压矢量来合成参考电压。其中，四个原始的非零电压矢量将参与参考电压矢量的合成，因为每一个无谐波矢量由两个原始的非零电压矢量组成。通过组合高电压电平，在每个开关间隔内发生一次导通和一次关断动作。通过两步空间向量调制策略导出的同步七段开关策略4.1，在每半个开关周期中，有四种开关状态。
2)对步骤1)得到的开关序列进行模式调整，得到第一电压源逆变器2.3和第二电压源逆变器2.4的在同步五段开关策略4.2下的开关序列。
具体地，通过将同步七段开关策略4.1中三相电压脉冲波形同时减去最窄电压脉冲波形，获得同步五段开关策略4.2，其中每半个开关周期中存在三种开关状态。
3)测量出第一电压源逆变器2.3产生的母线电流纹波IDC1+和第二电压源逆变器2.4产生的母线电流纹波IDC2+。
4)对步骤2)得到的开关序列重新排列，得到协同开关策略下的开关序列。第一电压源型逆变器2.3中的直流母线电流采用低电流水平、中电流水平和高电流水平作为开关序列。第二电压源型逆变器2.4的直流母线电流采用相反的开关序列，即高电流水平、中电流水平和低电流水平。
具体以ABC绕组相位
Figure GDA0002781314290000051
DEF绕组相位
Figure GDA0002781314290000052
为例，同步五段开关策略6.1下，ABC逆变器开关序列依次为000、100、110、100、000，电流水平顺序为低电流水平、高电流水平、中电流水平。DEF开关序列依次为000、100、110、100、000，电流水平顺序为低电流水平、高电流水平、中电流水平。重新排列开关序列，得到协同开关策略下6.3的开关序列。根据矢量控制原理中一个开关周期内非零矢量作用时间不变，则合成矢量大小方向均不变的特点，改变矢量作用顺序，将同步五段开关策略6.1的开关序列变换成协同开关策略6.3的开关序列。ABC逆变器开关序列依次为000、110、100、110、000，电流水平的顺序变为低电流水平、中电流水平、高电流水平。DEF开关序列依次为100、110、000、110、100，电流水平顺序变为高电流水平、中电流水平、低电流水平。改变过程中，开关序列的作用时间不变，仅作用顺序变化。
5)利用步骤4)得到的开关序列产生开关脉冲，作用于第一电压源逆变器2.3和第二电压源逆变器2.4，使电机正常运转。
例如当一个绕组相位
Figure GDA0002781314290000053
另一个绕组相位
Figure GDA0002781314290000054
时，现有技术中的同步开关策略6.1、交错开关策略6.2以及本实施例所提出的协同开关策略6.3的开关序列如图6所示。可见在使用协同开关方法时，第一电压源型逆变器2.3的低电流水平在不同工况下能够最大限度的与第二电压源型逆变器2.4的高电流水平重叠、第一电压源型逆变器2.3的低电流水平在不同工况下能够最大限度地与第二电压源型逆变器2.4的高电流水平重叠。相对于现有的开关策略和交错开关策略，协同开关方法对总直流母线电流纹波抑制效果最明显，具体效果验证在之后论述。
其中，双三相复合永磁交流电机永磁磁链
Figure GDA0002781314290000055
可以根据下面两个公式导出：
Figure GDA0002781314290000061
Figure GDA0002781314290000062
按照图3所示的控制框图，对提出的协同开关策略抑制电流纹波的效果进行了实验验证。图7为正常负载条件下使用不同开关策略的双三相复合永磁交流电机的直流母线电流波形。图7中给定转速为500rpm，电机负载为10N·m，直流母线电压为60V。可以观察到，使用传统同步七段开关策略7.1、传统同步五段开关策略7.2以及交错开关策略7.3时，总直流母线电流纹波约为14A，如图6所示。而使用所提出的协同开关策略7.4时，总直流母线电流纹波仅为8A。一个逆变器的直流母线的高水平电流与另一个逆变器的低水平电流相抵消，从而有效地降低了总直流母线纹波。图8为磁化过程中的直流母线电流波形。使用传统同步七段开关策略8.1、传统同步五段开关策略8.2以及交错开关策略8.3时，总直流母线电流纹波约为110A。而使用所提出的协同开关策略8.4后，电流纹波从110A减少到70A。实验表明，相对于传统同步开关策略和交错开关策略，所提出的协同开关策略能更有效地减小正常负载条件和磁化过程中母线电流纹波。

Claims (2)

1.一种30度移相角的双三相永磁交流电机协同开关方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:根据转子位置得到电机对应的工作扇区，运用两步空间向量调制策略，得到第一电压源逆变器(2.3)和第二电压源逆变器(2.4)的在同步两电平七段SVPWM开关策略下的开关序列；所述两步空间向量调制策略包括利用两组外部电压矢量来产生12个在xy子平面上为零分量的无谐波电压矢量，采用12个无谐波电压矢量来合成参考电压，其中，四个原始的非零电压矢量将参与参考电压矢量的合成，因为每一个无谐波矢量由两个原始的非零电压矢量组成；通过组合高电压电平，在每个开关间隔内发生一次导通和一次关断动作；通过所述两步空间向量调制策略导出的同步七段开关策略(4.1)，在每半个开关周期中，有四种开关状态；
S2:对步骤S1中得到的开关序列进行模式调整，得到第一电压源逆变器(2.3)和第二电压源逆变器(2.4)的在同步两电平五段SVPWM开关策略下的开关序列；所述模式调整通过将同步七段开关策略(4.1)中三相电压脉冲波形同时减去最窄电压脉冲波形，获得同步五段开关策略(4.2)；其中每半个开关周期中存在三种开关状态；
S3:测量出第一电压源逆变器(2.3)产生的母线电流纹波IDC1+和第二电压源逆变器(2.4)产生的母线电流纹波IDC2+；
S4:对步骤S2中得到的开关序列重新排列，得到协同开关策略下的开关序列，第一电压源逆变器(2.3)直流母线电流采用低电流水平、中电流水平和高电流水平作为开关序列，第二电压源逆变器(2.4)直流母线电流采用高电流水平、中电流水平和低电流水平作为开关序列；
S5:将步骤S4中重新排列的开关序列产生开关脉冲作用于第一电压源逆变器(2.3)和第二电压源逆变器(2.4)，使电机正常运转。
2.根据权利要求1所述的30度移相角的双三相永磁交流电机协同开关方法，其特征在于，所述重新排列是根据矢量控制原理中一个开关周期内非零矢量作用时间不变，则合成矢量大小方向均不变的特点，改变矢量作用顺序，将同步五段开关策略(6.1)的开关序列变换成协同开关策略(6.3)的开关序列。
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