CN110932583A - 电流源型双三相永磁同步电机驱动系统的zvs实现方法 - Google Patents

电流源型双三相永磁同步电机驱动系统的zvs实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开电流源型双三相永磁同步电机驱动系统的ZVS实现方法，属于发电、变电或配电的技术领域。该方法由串联的两个电流源型逆变器向双三相永磁同步电机侧的双三相电机定子绕组，通过比较电机线电压选择各电流源型逆变器的电流矢量作用顺序使得逆变器对应桥臂的输入电压按照电流矢量作用顺序依次减小，通过对谐振电容的充放电控制抑制实现了ZVS，可以降低宽禁带半导体的dv/dt，抑制高频变换器的电磁干扰，同时软开关的加入提高了系统的效率，有利于提升系统的功率密度，并且减少变换器的散热成本。

Description

电流源型双三相永磁同步电机驱动系统的ZVS实现方法
技术领域
本发明公开了电流源型双三相永磁同步电机驱动系统的ZVS(Zero VoltageSwitching，零电压开关)实现方法，涉及电机驱动技术和软开关技术，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
目前，电机系统的功率不断变大，相应地，电机的尺寸也不断扩大。传统三相电机系统定子绕组为三相，通过三相绕组的串并联来增加电机的功率，利用三相功率变换器对电机进行馈电，然而这种传统三相电机绕组集中并且分布在电机的整个空间，因此不利于电机的模块化生产和装配。电机功率的不断增大给电机的生产和装配带来了更大的困难。当电机中某一相绕组发生故障时，会影响到其它两相电机绕组，进而影响到整个电机的运行。
多相电机低压大功率输出与容错能力强的特征非常适合供电电压受限和系统可靠性要求高的场合。在各类多相电机中，双三相电机由于与传统三相电机关系密切并且兼具多相电机的优点而应用最为广泛。双三相电机通过两个独立的三相功率变换器进行馈电，当电机中某一套绕组发生故障或者功率变换器某个开关器件故障时，通过改变控制算法，电机依旧可以正常工作，因此电机系统的可靠性得到提高。
功率变换器的损耗很大一部分来自开关器件的开关损耗，软开关技术的应用可以大大减小器件的开关损耗，提高变换器的效率。传统的电机驱动系统软开关技术大多是针对电压源型变换器，基于电压源型变换器的电机驱动系统对短路电流的抑制能力不强，而基于电流型变换器的电机驱动系统能够增强系统对短路电流的抑制能力。采用软开关技术可以有效解决电流源型功率变换器损耗大的缺点，现有的电流源型逆变器软开关技术主要是针对IGBT或者GTO实现自然换流，适用于大功率场合。本申请旨在提供一种针对MOSFET的零电压开通技术实现中小功率场合的双三相永磁同步电机的驱动。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了电流源型双三相永磁同步电机驱动系统的ZVS实现方法，通过两个串联的电流源型功率变换器对多相绕组进行馈电，提高了电机驱动系统的可靠性和容错性，通过应用软开关技术使电流源型逆变器的开关柔性化，减小了电磁干扰，提高了电机驱动系统的效率，解决了电压源型变换器的电机驱动系统对短路电流的抑制能力有待提高及现有电流源型逆变器软开关技术适用于大功率场合电机驱动的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
电流源型双三相永磁同步电机驱动系统的ZVS实现方法，
电流源型双三相永磁同步电机驱动系统包括：电源侧斩波器、直流母线电感、谐振电感支路和谐振电容支路并联组成的零电压开关辅助电路、两个电流源型逆变器，电源侧斩波器与电压源并联，电源侧斩波器的一桥臂接直流母线电感的一端，直流母线电感的另一端接第一电流源型逆变器的正极性直流母线，第一电流源型逆变器的负极性直流母线与第二电流源型逆变器的正极性直流母线连接，电源侧斩波器的另一桥臂接第二电流源型逆变器的负极性直流母线，零电压开关辅助电路接在第一电流源型逆变器正极性直流母线和第二电流源型逆变器负极性直流母线之间，，第一电流源型逆变器的桥臂中点与双三相永磁同步电机的一个电机定子绕组端口连接，第二电流源型逆变器的桥臂中点与双三相永磁同步电机的另一个电机定子绕组端口连接；
根据电机线电压的比较结果决定各电流源型逆变器的电流矢量作用顺序以使电流源型逆变器对应的输入电压按照电流矢量作用顺序依次减小，在一个开关周期内控制电源侧斩波器和零电压辅助电路实现两个电流源型逆变器中各开关的ZVS：
打开电源侧斩波器，关闭零电压辅助电路各支路的开关，两个电流源型逆变器各有一组桥臂在谐振电容电压等于机端电压时零电压导通形成电流流通路径，在谐振电容电压小于机端电压时关闭两个电流源型逆变器，直流母线给谐振电容支路充电，在最后一组电流矢量作用于两个电流源型逆变器后谐振电容电压等于机端电压时关断电源侧斩波器，
打开电源侧斩波器并闭合零电压开关辅助电路中各支路的开关，零电压开关辅助电路谐振，与直流母线电感相连的电源侧斩波器桥臂开关管零电流关断，与第二电流源型逆变器负极性直流母线相连的电源侧斩波器桥臂开关管零电压关断。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本申请提出了一种基于SiC器件的电流源型双三相永磁同步电机驱动系统的零电压开关策略，在两电流源型逆变器串接形成的直流端口接入零电压开关辅助电路，该辅助电路中的谐振电容与MOS管串接后接在两电流源型逆变器串接形成的直流端口间，通过比较电机线电压选择各电流源型逆变器的电流矢量作用顺序使得逆变器对应桥臂的输入电压按照电流矢量作用顺序依次减小，通过对谐振电容的充放电控制抑制实现了ZVS，降低宽禁带半导体的dv/dt，抑制高频变换器的电磁干扰，同时软开关的加入提高了系统的效率，有利于提升系统的功率密度，并且减少变换器的散热成本。
附图说明
图1为主电路拓扑。
图2(a)为逆变器电流矢量对应电压的示意图，图2(b)为逆变器电流矢量对应电压之和的示意图。
图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)、图3(e)、图3(f)、图3(g)、图3(h)为一个开关周期内电流源型逆变器处于状态0、状态1、状态2、状态3、状态4、状态5、状态6、状态7的电流流通路径。
图4为电流矢量作用顺序选择的流程图。
图5为谐振网络的等效电路图。
图中标号说明：1.2、电源侧斩波器，1.3、直流母线电感，1.4、谐振电感支路，1.5、谐振电容支路并，1.6、电流源型逆变器1.7、电流源型逆变器，1.8、双三相永磁同步电机，S1～S4为第一开关管至第四开关管，S11～S16为电流源型逆变器1.6中的开关管，S21～S26为电流源型逆变器1.7中的开关管，D1～D4为第一二级管至第四二级管，Lr、谐振电感，Cr、谐振电容。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明公开的零电压开关策略用于图1所示的电流源型双三相永磁同步电机驱动系统，该驱动系统包括：电源侧斩波器1.2、直流母线电感1.3、谐振电感支路1.4和谐振电容支路1.5并联组成的零电压开关辅助电路、电流源型逆变器1.6、电流源型逆变器1.7。电源侧斩波器1.2包括：第一开关管S1和第二二极管D2串接组成的第一桥臂，以及，第二开关管S2和第一二极管D1串接组成的第二桥臂。谐振电感支路1.4由谐振电感Lr、第三二极管D3、第三开关管S3串联组成，谐振电容支路1.5由第四开关管S4、谐振电容Cr串联组成，第四开关管S4的源极和漏极之间接有第四二极管D4，谐振电感Lr和第四开关管S4漏极的连接点与电流源型逆变器1.6的正极性直流母线连接，谐振电容Cr与第三开关管S3源极的连接点与电流源型逆变器1.7的负极性直流母线连接。电流源型逆变器1.6包括：开关管S11和开关管S14串接组成的第一桥臂、开关管S13和开关管S16串接组成的第二桥臂、开关管S15和开关管S12串接组成的第三桥臂。电流源型逆变器1.7包括：开关管S21和开关管S24串接组成的第一桥臂、开关管S23和开关管S26串接组成的第二桥臂、开关管S25和开关管S22串接组成的第三桥臂。电源侧斩波器1.2与电压源1.1并联，电源侧斩波器1.2的一桥臂接直流母线电感1.3的一端，直流母线电感1.3的另一端接电流源型逆变器1.6的正极性直流母线，电流源型逆变器1.6的负极性直流母线与电流源型逆变器1.7的正极性直流母线连接，电源侧斩波器1.2的另一桥臂接电流源型逆变器1.7的负极性直流母线，电流源型逆变器1.6的桥臂中点与双三相永磁同步电机1.8的一个电机定子绕组端口连接，电流源型逆变器1.7的桥臂中点与双三相永磁同步电机1.8的另一个电机定子绕组端口连接。
为了简化分析，一个开关周期内作用于电流源型逆变器1.6的三个电流矢量分别为I11、I12、I10，对应电流源型逆变器1.6的输入电压为U11、U12、U10，如图4所示，比较电机线电压，决定电流矢量作用顺序使得电流型逆变器1.6对应桥臂的输入电压按照电流矢量作用顺序依次减小；同理，一个开关周期内作用于电流源型逆变器1.7的三个电流矢量分别为I21、I22、I20，对应电流源型逆变器的输入电压为U21、U22、U20，根据图4方法比较电机线电压，根据每个线电压对应的电流矢量，决定电流矢量作用顺序，使得电流型逆变器1.7对应桥臂的输入电压按照电流矢量作用顺序依次减小。
下面以一个开关周期内作用于电流源型逆变器1.6的三个电流矢量的顺序为I11->I12->I10使得U11>U12>U10，作用于电流源型逆变器1.7的三个电流矢量的顺序为I21->I22->I20使得U21>U22>U20为例，介绍零电压开关辅助电路的控制方法。
由于串接的电流型逆变器直流侧的电压为电流源型逆变器1.6和电流源型逆变器1.7输入电压的和，在一个开关周期内直流侧电压呈现递增的趋势，如图2(a)和图2(b)所示。不妨假设电流源型逆变器1.6工作在第一扇区，电流源型逆变器1.7工作在第六扇区，一个开关周期内软开关具体工作过程如下。
1)状态0：母线电流给谐振电容充电
开关周期开始时，电流源型逆变器1.6和电流源型逆变器1.7所对应的电流矢量均为零矢量，分别为I7和I8，由于上一个开关周期谐振结束，谐振电容小于零，母线电流给谐振电容Cr充电，如图3(a)所示，串联的电流源型逆变器的直流侧电压逐步抬高。
2)状态1：图2(a)、图2(b)所示开关管导通区间3.1(t0-t1)
母线电流给谐振电容Cr充电，直到谐振电容的电压等于电机端电压，电流源型逆变器1.6的开关管S11和开关管S14以及电流源型逆变器1.7的开关管S23和开关管S26零电压导通，如图3(b)所示。
3)状态0：开关管导通区间3.1后经历的一个短暂状态，此时，母线电流给谐振电容充电
电流源型逆变器1.6的零矢量I7作用结束，电流矢量I2开始作用，电容电压小于电机端电压，电流源型逆变器1.6的开关管S11和开关管S14以及电流源型逆变器1.7的开关管S23和开关管S26零电流关断，母线电流给谐振电容Cr充电，串联的电流源型逆变器直流侧电压逐步抬高。
4)状态2：图2(a)、图2(b)所示开关管导通区间3.2(t1-t2)
母线电流给谐振电容Cr充电，直到电容电压等于电机端电压，电流源型逆变器1.6的开关管S11和开关管S12以及电流源型逆变器1.7的开关管S23和开关管S26零电压导通，如图3(c)所示。
5)状态0：开关管导通区间3.2后经历的一个短暂状态，此时，母线电流给谐振电容充电
电流源型逆变器1.7的零矢量I8作用结束，电流矢量I3开始作用，电容电压小于电机端电压，电流源型逆变器一1.6的开关管S11和开关管S12以及电流源型逆变器1.7的开关管S23和开关管S26零电流关断，母线电流给谐振电容Cr充电，串联的电流源型逆变器直流侧电压逐步抬高。
6)状态3：如图2(a)、图2(b)所示开关管导通区间3.3(t2-t3)
母线电流给谐振电容Cr充电，直到电容电压等于电机端电压，电流源型逆变器1.6的开关管S11和开关管S12以及电流源型逆变器1.7的开关管S21和开关管S26零电压导通，如图3(d)所示。
7)状态0：开关管导通区间3.3后经历的一个短暂状态，此时，母线电流给谐振电容充电
电流源型逆变器1.6的电流矢量I2作用结束，电流矢量I1开始作用，电容电压小于电机端电压，电流源型逆变器1.6的开关管S11和开关管S12以及电流源型逆变器1.7的开关管S21和开关管S26零电流关断，母线电流给谐振电容Cr充电，串联的电流源型逆变器直流侧电压逐步抬高。
8)状态4：如图2(a)、图2(b)所示开关管导通区间3.4(t3-t4)
母线电流给谐振电容Cr充电，直到电容电压等于电机端电压，电流源型逆变器1.6的开关管S11和开关管S16以及电流源型逆变器1.7的开关管S21和开关管S26零电压导通，如图3(e)所示。
9)状态0：开关管导通区间3.4后经历的一个短暂状态，此时，母线电流给谐振电容充电
电流源型逆变器1.7的电流矢量I3作用结束，电流矢量I2开始作用，电容电压小于电机端电压，电流源型逆变器1.6的开关管S11和开关管S16以及电流源型逆变器1.7的开关管S21和开关管S26零电流关断，母线电流给谐振电容充电，串联的电流源型逆变器直流侧电压逐步抬高。
10)状态5：如图2(a)、图2(b)所示开关管导通区间3.5(t4-t5)
母线电流给谐振电容Cr充电，直到电容电压等于电机端电压，电流源型逆变器1.6的开关管S11和开关管S16，电流源型逆变器1.7的开关管S25和开关管S26零电压导通，如图3(f)所示。
11)状态6：如图2(a)、图2(b)所示开关管导通区间3.5(t4-t5)
如图3(g)所示，斩波器1.2的开关管关断，二极管强迫导通，但是由于斩波器和谐振电容是并联结构，电流源型逆变器不会增加开关次数，其开关导通情况与状态5相同。
12)状态7：如图2(a)、图2(b)所示开关管导通区间3.6(t5-t6)谐振状态
如图3(h)所示，电流源型逆变器所有开关断开，S1、S2、S3、S4导通，Lm，Lr和Cr发生谐振，设计谐振网络参数，当Lr电流下降到零时，谐振电容Cr电压恢复到初始状态，输入到串联电流型逆变器直流端口的电压小于零，此时，S1零电流关断，S2零电压关断。
零电压开关辅助电路实现电流型逆变器中开关管软开关的工作原理如下：
当谐振时刻到来时，逆变器所有开关管关断，谐振电路和斩波器的开关管S1、S2、S3、S4打开，谐振开始。谐振电路工作时等效电路如图5所示，由于电感电流不能突变，流过谐振电感Lr的电流i3为零，流过母线电感Lm和谐振电容的电流分别为Im和-Im，谐振电容两端电压v等于V0，V0即为逆变器直流侧电压。
根据等效电路图，可以得到下列微分方程组:
Figure BDA0002292920520000071
微分方程组的初始条件为：
Figure BDA0002292920520000072
解微分方程组，可以得到电容两端电压解析表达式为：
Figure BDA0002292920520000073
由于Lm>>Lr，v的表达式可以化简为：
Figure BDA0002292920520000074
进一步化简：
Figure BDA0002292920520000075
其中：
Figure BDA0002292920520000076
Figure BDA0002292920520000077
谐振时间可以设置为半个谐振周期，这样可以确保逆变器侧直流电压在谐振结束之后小于零。
Figure BDA0002292920520000081
虽然本发明已以较佳实例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (2)

1.电流源型双三相永磁同步电机驱动系统的ZVS实现方法，其特征在于，
电流源型双三相永磁同步电机驱动系统包括：电源侧斩波器、直流母线电感、谐振电感支路和谐振电容支路并联组成的零电压开关辅助电路、两个电流源型逆变器，电源侧斩波器与电压源并联，电源侧斩波器的一桥臂接直流母线电感的一端，直流母线电感的另一端接第一电流源型逆变器的正极性直流母线，第一电流源型逆变器的负极性直流母线与第二电流源型逆变器的正极性直流母线连接，电源侧斩波器的另一桥臂接第二电流源型逆变器的负极性直流母线，零电压开关辅助电路接在第一电流源型逆变器正极性直流母线和第二电流源型逆变器负极性直流母线之间，，第一电流源型逆变器的桥臂中点与双三相永磁同步电机的一个电机定子绕组端口连接，第二电流源型逆变器的桥臂中点与双三相永磁同步电机的另一个电机定子绕组端口连接；
根据电机线电压的比较结果决定各电流源型逆变器的电流矢量作用顺序以使电流源型逆变器对应的输入电压按照电流矢量作用顺序依次减小，在一个开关周期内控制电源侧斩波器和零电压辅助电路实现两个电流源型逆变器中各开关的ZVS：
打开电源侧斩波器，关闭零电压辅助电路各支路的开关，两个电流源型逆变器各有一组桥臂在谐振电容电压等于机端电压时零电压导通形成电流流通路径，在谐振电容电压小于机端电压时关闭两个电流源型逆变器，直流母线给谐振电容支路充电，在最后一组电流矢量作用于两个电流源型逆变器后谐振电容电压等于机端电压时关断电源侧斩波器，
打开电源侧斩波器并闭合零电压开关辅助电路中各支路的开关，零电压开关辅助电路谐振，与直流母线电感相连的电源侧斩波器桥臂开关管零电流关断，与第二电流源型逆变器负极性直流母线相连的电源侧斩波器桥臂开关管零电压关断。
2.根据权利要求1所述电流源型双三相永磁同步电机驱动系统的ZVS实现方法，其特征在于，
电源侧斩波器包括：第一开关管（S1）和第二二极管（D2）串接组成的第一桥臂，及，第二开关管（S2）和第一二极管（D1）串接组成的第二桥臂；
谐振电感支路由谐振电感（Lr）、第三二极管（D3）、第三开关管（S3）串联组成，谐振电容支路由第四开关管（S4）、谐振电容（Cr）串联组成，第四开关管（S4）的源极和漏极之间接有第四二极管（D4），谐振电感（Lr）和第四开关管（S4）漏极的连接点与第一电流源型逆变器的正极性直流母线连接，谐振电容（Cr）与第三开关管（S3）源极的连接点与第二电流源型逆变器的负极性直流母线连接；
第一电流源型逆变器包括：开关管（S11）和开关管（S14）串接组成的第一桥臂、开关管（S13）和开关管（S16）串接组成的第二桥臂、开关管（S15）和开关管（S12）串接组成的第三桥臂；
第二电流源型逆变器包括：开关管（S21）和开关管（S24）串接组成的第一桥臂、开关管（S23）和开关管（S26）串接组成的第二桥臂、开关管（S25）和开关管（S22）串接组成的第三桥臂；
一个开关周期内作用于第一电流源型逆变器的三个电流矢量分别为I11、I12、I10，对应第一电流源型逆变器的输入电压为U11、U12、U10，第二电流源型逆变器的三个电流矢量分别为I21、I22、I20，对应第二电流源型逆变器的输入电压为U21、U22、U20，比较电机线电压后决定作用于第一电流源型逆变器的三个电流矢量的顺序为I11->I12->I10使得U11>U12>U10，作用于第二电流源型逆变器的三个电流矢量的顺序为I21->I22->I20使得U21>U22>U20，控制电源侧斩波器和零电压辅助电路实现两个电流源型逆变器中各开关的ZVS的过程为：
1）状态0：母线电流给谐振电容充电
开关周期开始时，第一电流源型逆变器和第二电流源型逆变器所对应的电流矢量均为零矢量，分别为I7和I8，谐振电容小于零，母线电流给谐振电容（Cr）充电，串联的电流源型逆变器的直流侧电压逐步抬高；
2）状态1：开关管导通区间（t0-t1）
母线电流给谐振电容充电，直到谐振电容的电压等于机端电压，第一电流源型逆变器的开关管（S11）和开关管（S14）以及第二电流源型逆变器的开关管（S23）和开关管（S26）零电压导通；
3）状态0：开关管导通区间（t0-t1）后经历的一个短暂状态，此时，母线电流给谐振电容充电
第一电流源型逆变器的零矢量I7作用结束，电流矢量I2开始作用，谐振电容电压小于电机端电压，第一电流源型逆变器的开关管（S11）和开关管（S14）以及第二电流源型逆变器的开关管（S23）和开关管（S26）零电流关断，母线电流给谐振电容（Cr）充电，串联的电流源型逆变器直流侧电压逐步抬高；
4）状态2：开关管导通区间（t1-t2）
母线电流给谐振电容（Cr）充电，直到谐振电容电压等于机端电压，第一电流源型逆变器的开关管（S11）和开关管（S12）以及第二电流源型逆变器的开关管（S23）和开关管（S26）零电压导通；
5）状态0：开关管导通区间（t1-t2）后经历的一个短暂状态，此时，母线电流给谐振电容充电
第二电流源型逆变器的零矢量I8作用结束，电流矢量I3开始作用，谐振电容电压小于机端电压，第一电流源型逆变器的开关管（S11）和开关管（S12）以及第二电流源型逆变器的开关管（S23）和开关管（S26）零电流关断，母线电流给谐振电容（Cr）充电，串联的电流源型逆变器直流侧电压逐步抬高；
6）状态3：开关管导通区间（t2-t3）
母线电流给谐振电容（Cr）充电，直到谐振电容电压等于机端电压，第一电流源型逆变器的开关管（S11）和开关管（S12）以及第二电流源型逆变器的开关管（S21）和开关管（S26）零电压导通；
7）状态0：开关管导通区间（t2-t3）后经历的一个短暂状态，此时，母线电流给谐振电容充电
第一电流源型逆变器的电流矢量I2作用结束，电流矢量I1开始作用，谐振电容电压小于机端电压，第一电流源型逆变器的开关管（S11）和开关管（S12）以及第二电流源型逆变器的开关管（S21）和开关管（S26）零电流关断，母线电流给谐振电容（Cr）充电，串联的电流源型逆变器直流侧电压逐步抬高；
8）状态4：开关管导通区间（t3-t4）
母线电流给谐振电容（Cr）充电，直到谐振电容电压等于机端电压，第一电流源型逆变器的开关管（S11）和开关管（S16）以及第二电流源型逆变器的开关管（S21）和开关管（S26）零电压导通；
9）状态0：开关管导通区间（t3-t4）后经历的一个短暂状态，此时，母线电流给谐振电容充电
第二电流源型逆变器的电流矢量I3作用结束，电流矢量I2开始作用，谐振电容电压小于电机端电压，第一电流源型逆变器的开关管（S11）和开关管（S16）以及第二电流源型逆变器的开关管（S21）和开关管（S26）零电流关断，母线电流给谐振电容（Cr）充电，串联的电流源型逆变器直流侧电压逐步抬高；
10）状态5：开关管导通区间（t4-t5）
母线电流给谐振电容（Cr）充电，直到谐振电容电压等于机端电压，第一电流源型逆变器的开关管（S11）和开关管（S16），第二电流源型逆变器的开关管（S25）和开关管（S26）零电压导通；
11）状态6：开关管导通区间（t4-t5）
电源侧斩波器的开关管关断，二极管强迫导通，其开关导通情况与状态5相同；
12）状态7：开关管导通区间（t5-t6），谐振状态
电流源型逆变器的所有开关断开，第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第三开关管（S3）、第四开关管（S4）导通，直流母线电感（Lm）、谐振电感（Lr）和谐振电容（Cr）发生谐振，当谐振电感（Lr）电流下降到零时，谐振电容（Cr）电压恢复到初始状态，输入到串联电流型逆变器直流端口的电压小于零，此时，第一开关管（S1）零电流关断，第二开关管（S2）零电压关断。
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