CN115800846A - 零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构，涉及记忆电机技术领域。本发明包括第一，二电压源逆变器，所述电路拓扑连接方式为：输入电源直接接到第一电压源逆变器的直流母线上，输入电源或电容器根据运行需求接到第二电压源逆变器的直流母线上，第一，二电压源逆变器的输出同时为零序调磁型记忆电机供电。本发明在零序调磁型记忆电机进行瞬态调磁时向其提供零序电流，真正实现了调磁功能与驱动功能的隔离，同时与传统直流调磁型记忆电机相比无需额外的直流电源，节约了成本；在零序调磁型记忆电机进行稳态运行时切断零序通路，从根本上解决了记忆电机的共性问题，即正常运行时易出现低矫顽力永磁体的磁化和退磁现象。

Description

零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构

技术领域

本发明涉及记忆电机技术领域，具体为零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构。

背景技术

可变磁通记忆电机(Variable Flux Magnet Memory Motor,VFMM)使用了低矫顽力永磁体，这类永磁体可以通过调磁电流脉冲改变其磁化状态，并且在调磁脉冲消失后保持在该磁化水平，从而真正意义上实现了可变磁通，根据其产生调磁磁动势(MagneticMotive Force，MMF)的方式，可分为交流调磁型VFMM和直流调磁型VFMM。交流调磁型VFMM一般采用在d轴上施加调磁电流脉冲进行调磁，但由于实际运行中d轴电流可能并不为0，可能导致出现意外退磁的情况。直流调磁型VFMM通常单独放置一套调磁绕组来调节低矫顽力永磁体的磁化状态，其优点在于电枢绕组和调磁绕组彼此独立，便于在线调磁控制，但同时会使得电机结构往往较为复杂。同时需要额外的直流电源对调磁绕组进行供电，由于直流电源仅在调磁时进行工作，故此种方法有着成本较高，为此，我们提出零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构，既能解决传统直流调磁型记忆电机需要额外直流电源，成本较高的问题，又能保证电机在正常运行时不会发生意外退磁的现象。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构，包括第一电压源逆变器、第二电压源逆变器、电容器和开关，所述拓扑结构的连接方式为：输入电源接到第一电压源逆变器的直流母线上，输入电源通过开关接到第二电压源逆变器的直流母线上，第二电压源逆变器通过开关接到电容器连接线上，第一电压源逆变器和第二电压源逆变器的输出同时为零序调磁型开绕组记忆电机供电。

进一步的，所述开关数量为三个，具体为S1、S2、S3，第一电压源逆变器分别通过开关S1、S2与第二电压源逆变器连接，电容器通过S3接到第二电压源逆变器的直流母线上。

进一步的，在需要对零序调磁型记忆电机进行调磁操作时，所述拓扑结构具体为开关S1、S2闭合，S3断开，此时输入电源直接接到第一电压源逆变器和第二电压源逆变器的直流母线上，用于在零序调磁型记忆电机系统内形成零序通路。

进一步的，所述零序通路形成后，第一电压源逆变器和第二电压源逆变器的输出端会产生共模电压，共模电压与三相反电动势一起构成零序电压，即可使零序电压在零序通路上产生零序电流。

进一步的，在零序调磁型记忆电机稳态运行时，所述拓扑结构具体为开关S1、S2断开，S3闭合，此时输入电源直接接到第一电压源逆变器的直流母线上，电容器接到第二电压源逆变器的直流母线上。

进一步的，零序调磁型记忆电机的调磁操作或稳态运行均通过调磁信号进行控制。

本发明至少具备以下有益效果：

1、本发明提供了一种零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构，该拓扑结构能够解决传统直流调磁型记忆电机需要额外直流电源且该直流电源利用率很低的问题，且相较于其他不使用直流电源供电的直流调磁记忆电机拓扑结构，本发明所述拓扑结构可以在电枢绕组和调磁绕组集成时避免出现退磁问题，即本发明既可以通过减少直流电源数量与调磁绕组数量来节约成本，又可以在原理上回避该拓扑结构下的直流调磁型记忆电机的退磁风险。

2、本发明将传统共直流母线型开绕组电机的零序电流运用在瞬态调磁过程，真正的将共直流母线型拓扑的缺点转化为可以应用在直流调磁型记忆电机瞬态调磁过程中的优点，同时在稳态运行时还可以阻断零序通路，解决了意外磁化或退磁的问题。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明的整体结构拓扑图；

图2为本发明图1中调磁模式的等效瞬态调磁结构拓扑图；

图3为本发明图1中驱动模式的等效稳态运行结构拓扑图；

图4为本发明的整体控制结构图；

图5为本发明的等效稳态控制结构图；

图6为本发明的产生的零序电流仿真图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请结合图1所示，本发明提供了一种零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构，包括第一电压源逆变器VSC1、第二电压源逆变器VSC2、电容器C和开关S1、S2、S3，其中在第一电压源逆变器与第二电压源逆变器连接线上的分别为开关S1和开关S2，在电压源逆变器2与电容器C连接线上的为开关S3，第一电压源逆变器VSC1和第二电压源逆变器VSC2的交流输出侧共同为开绕组记忆电机供电。

输入电源U_dc接到第一电压源逆变器VSC1的直流母线上，输入电源U_dc通过开关S1、S2接到第二电压源逆变器VSC2的直流母线上，电容器C通过开关S3接到第二电压源逆变器VSC2的直流母线上。

本发明所提出拓扑结构的工作原理，具体如下：

为实现优异的双逆变器输出控制性能，第一电压源逆变器VSC1和第二电压源逆变器VSC2可以像独立电源双逆变器一样进行调制，如可将输出电压矢量分解成两个单独的电压矢量，并分配给第一电压源逆变器VSC1和第二电压源逆变器VSC2各自进行调制，也可以将第一电压源逆变器VSC1和第二电压源逆变器VSC2产生的电压矢量看作一个整体进行调制。

在瞬态调磁时，开关S1、S2闭合，开关S3断开，其等效结构拓扑图如图2所示，输入电源U_dc同时接到第一电压源逆变器VSC1和第二电压源逆变器VSC2的直流母线上，即可在零序调磁型记忆电机系统内形成零序通路，又由于第一电压源逆变器VSC1和第二电压源逆变器VSC2的输出端会产生共模电压，共模电压会与三相反电动势等信号一起构成零序电压，并使零序电压在零序通路上产生零序电流，即可利用零序电流作为调磁电流以改变低矫顽力永磁体的磁化状态，且利用零序电流作为调磁脉冲电流可以省去传统直流调磁型记忆电机的直流电源，节约成本。

在稳态运行时，开关S1、S2断开，开关S3闭合，其等效结构拓扑图如图3所示，输入电源U_dc只接到第一电压源逆变器VSC1的直流母线上，电容器C接到第二电压源逆变器VSC2的直流母线上，第一电压源逆变器VSC1和第二电压源逆变器VSC2的输出端仍然会产生共模电压，但由于没有零序通路，故零序电压无法产生零序通路，因此在稳态运行时不会产生零序电流，也就不会出现意外磁化或退磁的现象，大大提高了电机在稳态运行时的稳定性与安全性，故对控制系统的需求大大降低。

实施例具体如下：

本发明的整体控制框图如图4所示，调磁信号可以根据离线查表法和在线控制法来产生，本实施例以离线查表法为例，由于记忆电机主要应用于需要扩速的场合，故根据电机的转速来决定是否需要进行弱磁操作。本例假设记忆电机工作在满磁化状态，半磁化状态，零磁化状态，同时假设在满磁化状态下能达到的最大速度为ω₁,半磁化状态下能达到的最大速度为ω₂，零磁化状态下能达到的最大速度为ω₃。同时，假设由满磁化状态退磁到半磁化状态下的电流值为I₁，由半磁化状态退磁到零磁化状态下的电流值为I₂。

在稳态运行时，其控制框图可以等效为图5，其结构为转速电流双闭环来控制开绕组记忆电机。本例采用i_d＝0的控制方法，具体的控制方法如下：通过位置传感器和电流采集装置从电机中获得电机转速，电机转子位置角和电机三相电流。采集到的电机实际转速与给定电机转速相比之后得到转速误差，将该转速误差输入到PI调节器中，PI调节器将对该转速误差进行比例调节与积分调节，由于采用双闭环调节，故外环转速环的输出应为内环电流环的输入，由于采用i_d＝0的控制方法，故转速误差经过比例调节与积分调节后得到的数字信号便可以作为内环i_q的参考值。其与给定电流励磁分量参考值

共同组成了dq0坐标系下的电流参考值，而对采集到的三相电流i_a,i_b,i_c进行解耦和转换便可以得到实际的i_d,i_q，将实际的i_d,i_q与给定的

参考值进行对比便可以得到二者的误差值，由于电机的电压值影响电机的电流值，故电流内环想要得到稳定的电流值，就必须不断对电压值做出修正，因此电流误差值经过比例调节与积分调节后的数字信号便可以作为U_d,U_q，然后将这两个信号作为输入进行正弦波脉宽调制(SVPWM)，最后得到逆变器的开关信号即可使逆变器对电机进行供电。

需要说明的是，由于开绕组电机系统需要两个逆变器同时对开绕组电机进行供电，于是就需要输出六路脉宽调制(PWM)信号，这就需要对调制策略进行一定程度上的调整，在本例中，考虑到双逆变器的独特结构，以及如何进行信号的给定工作，本例采取幅值相同，相位相差180°的信号给定方式，最后便可以通过SVPWM将信号输出到两个逆变器之中。

当电机的转速达到ω₁时，此时为了增加速度则需要进行调磁，故产生调磁信号，此时电路的拓扑结构发生改变，其等效的控制框图如图4所示，需要增加对零序电流的控制，通过采集到的三相电流来计算零序电流的实际值，将零序电流实际值与零序电流给定值作差得到零序电流误差值，将该误差值输入到PI调节器中，此时的零序电流给定值为I₁，零序电流误差值经过比例调节与积分调节后的数字信号可以作为U₀，其PI调节器原理与dq轴PI调节器原理相同。需要说明的是，所对应的SVPWM算法也应做出相应改变去考虑零序分量。在施加完零序电流脉冲后，调磁过程结束，电机回到稳态运行的状态，此时电机内部磁场被减弱，电机转速可以进一步提升，同理，当转速达到ω₂时，重复上述操作，区别在于此时的给定值为I₂。

在Matlab/Simulink的仿真环境中搭建本发明的模型，具体的零序调磁电流给定如图6所示，可以清楚的看到，由于在稳态时隔绝了零序通路，故稳态时零序电流为0，即不需要对调磁电流加以控制也不会产生意外冲去磁的现象出现；而在需要调磁时，则可以通过PI控制进行零序调磁电流的给定。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。当元件被称为“装配于”、“安装于”、“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

Claims (6)

1.一种零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构包括第一电压源逆变器、第二电压源逆变器、电容器和开关，所述拓扑结构的连接方式为：输入电源接到第一电压源逆变器的直流母线上，输入电源通过开关接到第二电压源逆变器的直流母线上，第二电压源逆变器通过开关接到电容器连接线上，第一电压源逆变器和第二电压源逆变器的输出同时为零序调磁型开绕组记忆电机供电。

2.根据权利要求1所述的零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构，其特征在于：所述开关数量为三个，具体为S1、S2、S3，第一电压源逆变器分别通过开关S1、S2与第二电压源逆变器连接，电容器通过S3接到第二电压源逆变器的直流母线上。

3.根据权利要求2所述的零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构，其特征在于：在需要对零序调磁型记忆电机进行调磁操作时，所述拓扑结构具体为开关S1、S2闭合，S3断开，此时输入电源直接接到第一电压源逆变器和第二电压源逆变器的直流母线上，用于在零序调磁型记忆电机系统内形成零序通路。

4.根据权利要求3所述的零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构，其特征在于：所述零序通路形成后，第一电压源逆变器和第二电压源逆变器的输出端会产生共模电压，共模电压与三相反电动势一起构成零序电压，即可使零序电压在零序通路上产生零序电流。

5.根据权利要求2所述的零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构，其特征在于：在零序调磁型记忆电机稳态运行时，所述拓扑结构具体为开关S1、S2断开，S3闭合，此时输入电源直接接到第一电压源逆变器的直流母线上，电容器接到第二电压源逆变器的直流母线上。

6.根据权利要求4或5所述的零序调磁型记忆电机用单电源驱动双逆变器的拓扑结构，其特征在于：零序调磁型记忆电机的调磁操作或稳态运行均通过调磁信号进行控制。

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