CN1214515C - 多相交流机组控制器 - Google Patents

Abstract

用一种具有2N+1相的具有N个正交相位分量组的控制系统来独立地控制诸如电动机或发电机的N个AC机组。在一种特殊的应用中，用一个具有相互独立的两组正交分量的五相控制器独立地控制一台混合动力车。每一组分量控制一个机组，并且对其他机组没有净效应。

Description

多相交流机组控制器

本发明涉及到多相位AC机组的控制，特别是涉及到使用受到控制的2N+1相分量来独立地控制N个AC机组。

图1是通常用来表示三相系统的三相AC电流或电压的一种常见的幅值-时间图，相对的瞬时相位ωt是120°。缩写AC表示“交流电流”，它在许多情况下使用不当，因为这一术语可以用来表示交流电压或交流电流或者是这两种意思。如果瞬时值周期性地保持在正值，随后又保持在负值，这种电压或电流就是“交流”，其中的“正”和“负”是指电的方向而不是机械的概念。在图1中用X_a，X_b和X_c来表示三个相位，并且可以分别表示成X_a＝Xcoswt，X_b＝Xcos(wt-2π/3)，X_c＝Xcos(wt-4π/3)。正如本领域的技术人员所知，图2表示图1的电流或电压在时间t＝0处的一个二维矢量图。在图2中，两个相互垂直的α和β分量是基本坐标，并且α轴对应着“a”轴。另外两个的b和c轴与a轴相距120°。电压或电流X_a总是沿着a轴的，而其瞬时的幅值随着时间而改变。同样，X_b和X_c总是分别沿着b和c轴，并且其幅值幅值也随着时间而改变。在图2所示的对应着图1中t＝0的时间，图2中的X_a，X_b和X_c的幅值合在一起对应着一个矢量。随着图1中的曲线X_a，X_b和X_c的时间或瞬时相位的增加，图2中的矢量(在箭头ωt所指的方向上)逆时针旋转，画出一个圆形210。每当相位改变2π，就会绕着圆形210画出一个完整的圆。为了简化数学运算，可以用对应的分量α和β来表示X_a，X_b和X_c的数值。

$\stackrel{\→}{X}=\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{\α}}\\ X_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=T_{\mathrm{abc}2\mathrm{\α\β}}\left[\begin{array}{c}{X}_a\\ X_b\\ X_c\end{array}\right]----\left(1\right)$

其中的

$\left[T_{\mathrm{abc\α\β}}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]----\left(2\right)$

公式(1)和(2)合在一起代表用来将由a，b和c表示的矢量转换成由α和β分量表示的矢量的矩阵变换公式。以上的数学表达式没有考虑到可能与交流励磁有关的共模的(直流或非交流，或者是交流)电压或电流。在AC系统中，每一相都可能与用来补偿这一相的交流分量的一个共模分量有关。图2的曲线假设或代表了这样一种没有共模分量的状态。如果在平衡的三相系统中存在共模分量，它就会被抵消，不会出现在α和β分量中。由于共模分量被抵消了，即使是存在这种共模分量，它们也不会出现在图2的曲线中。然而，即使是在图2的二维曲线中没有出现共模分量，这种共模分量还是可能存在的。

为了表示直流分量，可以用以下的公式(3)和(4)所代表的一种经过修改的变换公式来表示矢量X

$\left[X\right]=\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{\α}}\\ X_{\mathrm{\β}}\\ X_0\end{array}\right]=\left[T_{\mathrm{abc}2\mathrm{\α\β}0}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_a\\ X_b\\ X_c\end{array}\right]----\left(3\right)$

$\left[T_{\mathrm{abc}2\mathrm{\α\β}0}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{array}\right]----\left(4\right)$

矩阵中最底下一行的元素值是“1/2”，它代表共模分量。附加的X₀分量被称为零序分量。用零序分量代表的共模分量通常是用一个与图2的α-β平面正交的矢量来表示的。采用这种与α-β平面正交的矢量可以构成一个相互垂直的坐标的三维系统。

按照本发明一个方面的一种2N+1相AC机组设备包括N个AC机组，这种AC机组可以是电动机或者发电机。设备包括N个AC机组。这N个AC机组各自具有2N+1个流过交流电流的绕组；当然也可以有更多的绕组，但是绕组的有效数量应该是2N+1。设备还包括一个可控的2N+1相逆变器，用来产生用于N个机组的2N+1相电流。将一个互连装置连接到逆变器和N个AC机组上，用于互连N个AC机组的N个绕组，让流经每个机组的每个绕组的电流流过N个AC机组中其他的各个绕组。将一个控制装置连接到逆变器上，用来以N个相互正交的一组相位控制2N+1相，从而彼此独立地控制N个AC机组。在按照本发明这一方面的一种具体设备中，2N+1相AC机组的每个2N+1个绕组在电学上各自按照一种特定的空间相位级数排列，并且用互连装置互连N个AC机组中的绕组，让对应着一种特定空间相位的一个AC机组的一个绕组中流动的电流流过另一个AC机组的一个不同空间相位的绕组。在本发明的一个实施例中，通过一个机组中具有特定空间相位的一个绕组的电流流入另一个机组中具有相同空间相位的一个绕组。

在按照本发明一个方面的具体设备中，N是二，而2N+1是五，两个AC机组的五个绕组中每个各自以一种特定的空间相位排列在每个机组中，并且用互连装置将两个AC机组中前一个机组的所有五相互连到逆变器中对应的相，并且连接一个AC机组的一个绕组，让电流流过另一个AC机组中的一个对应的绕组。

用来控制包括N个互连的2N+1相AC机组的一个AC机组系统的一种方法，AC机组中各自包括对应的空间相位绕组，该方法包括以下步骤：产生2N+1相电流，表示N组相互正交的二维的电流分组。按照电流的相位与绕组的空间相位的一种特定对应关系，让2N+1相的上述电流通过N个AC机组中第一个机组的空间相位绕组，并且按照电流的上述相位与绕组的空间相位之间不同于上述特定对应关系的一种对应关系，让2N+1相的电流通过N个AC机组中第二个机组的空间相位绕组，以这种方式用电流的每一个二维分组独立地控制N个AC机组当中的一个机组。按照实现该方法的一种具体方式，产生2N+1相电流的步骤中包括对连接到直流电压母线上的一个五相逆变器进行控制的步骤。实现本发明的这一具体方式还包括一个附加步骤，将N个AC机组中的第一和第二机组连接到车辆的第一和第二车轮上。按照另一种方式，用来控制五相逆变器的步骤中还包括对五相逆变器连接到一个牵引电池上的开关进行控制的步骤。在实现本发明这一方面的方法的另一种具体方案中，产生2N+1相电流的步骤中包括对连接到直流电压母线上的五相逆变器进行控制的步骤，并且还包括一个附加步骤，将N个AC机组中的第一个至少连接到一部车的第一车轮上，并且将N个AC机组中的第二个连接到一个机械驱动能源例如是内燃发动机上。

图1是通常用来表示三相系统的三相电流或电压的一种常见的幅值-时间图，相对的瞬时相位ωt是120°；

图2表示图1的电流或电压的一个二维矢量图；

图3a，3b和3c分别沿着三个相互正交的X_a，X_b和X_c轴或迪卡儿坐标系表示图1的a，b和c电流或电压分量；

图4是采用了通过逆变器和直流电压或电流母线互连的两个AC机组的设备的一个简化框图；

图5a是按照本发明一方面的五相AC机组设备的一个简化框图或示意图，图5b和5c是关于图5a的AC机组中的绕组的示意图，而图5d是图5a所示设备中的一个互换或相位交换部分的简化示意图；

图6以框图的形式表示了按照本发明一个方面的五相逆变器的简化示意图；

图7用框图的形式表示了现有技术的AC机组控制设备的一个简化示意图；

图8以框图的形式表示了按照本发明一个方面的设备的示意图，在其中用一个五相控制器独立地控制两个AC机组；

图9a，9b，9c，9d，9e，9f，9g，9h和9i是各种交换电路的简化示意图，与图5d的设备共同构成了定义方程的十种可能解；以及

图10是由一个(2N+1)相控制器控制的N个机组的一个简化的总图。

本发明人认为，图2所表示的并不是唯一可供使用的方式，用其他方式也可以提供新颖和有效的设备。具体地说，图3a，3b和3c分别沿着三个相互正交的X_a，X_b和X_c轴或迪卡儿坐标系表示了图1的a，b和c电压或电流分量。这些电压或电流分量对应着X_a，X_b和X_c轴上的各种瞬时值。图3a，3b和3c从不同的角度表示了同一种矢量分布。为了便于说明，在图3a，3b和3c中，立方体的中心与坐标系的中心或原点相吻合。因此，立方体中心的坐标是000。一个六边形平面312通过原点000，并且将立方体分成相同的两半。轴线X_a，X_b和X_c在平面312上的垂直投影分别用a’，b’和c’表示，并且这三个投影在平面上相距120°。图3中的投影a’，b’和c’对应着图2中的轴线a，b和c.在图1的曲线X_a，X_b和X_c中，在没有零序分量的情况下，随着时间或瞬时相位的增加，图3a的矢量(在箭头ωt所指的方向上)逆时针旋转，划出一个圆圈310。每当相位改变2π，就会绕着圆圈310画出一个完整的圆。

众所周知，零序分量是可能随着时间而改变的。在图3a中用沿着与α和β轴垂直的0轴的一个分量来表示变化的零序分量。如果零序分量的幅值是固定的，平面312就可以和作为立方体主对角线的0轴平行地移动。然而，由于零序分量可能随时间而改变，与代表这些分量的矢量的旋转有关，当存在这样的零序分量时，轨迹的平面(圆圈310的平面)相对于平面312是倾斜的。

图3b表示图3a的平面312的侧面，而图3c表示轴线0的方向。

可以用矩阵变换公式[T3]来完成从图2的正交(a，b，c)分量到图3a，3b和3c的正交分量(α，β，0)之间的变换

$\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{\α}}\\ X_{\mathrm{\β}}\\ X_0\end{array}\right]=\left[T3\right]\left[\begin{array}{c}{X}_a\\ X_b\\ X_c\end{array}\right],\mathrm{where}\left[T3\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\sqrt{6}}{3}& -\frac{\sqrt{6}}{3}& \frac{\sqrt{6}}{3}\\ 0& \frac{\sqrt{2}}{2}& -\frac{\sqrt{2}}{2}\\ \frac{\sqrt{3}}{3}& -\frac{\sqrt{3}}{3}& \frac{\sqrt{3}}{3}\end{array}\right]----\left(5\right)$

公式(5)表示的变换公式可以将图3a，3b和3c中用a，b，c分量代表的矢量转换成用α，β和零序分量代表的一种矢量。这仅仅是从一个坐标系到另一坐标系的矢量变换。

公式(6)表示相反的运算过程

$\left[\begin{array}{c}{X}_a\\ X_b\\ X_C\end{array}\right]=\left[{T3}^{-1}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_{\mathrm{\α}}\\ X_{\mathrm{\β}}\\ X_0\end{array}\right],\mathrm{where}\left[{T3}^{-1}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\sqrt{6}}{3}& 0& \frac{\sqrt{3}}{3}\\ -\frac{\sqrt{6}}{6}& \frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{3}\\ -\frac{\sqrt{6}}{6}& -\frac{\sqrt{2}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{3}\end{array}\right]----\left(6\right)$

按照本发明的一个方面，在图3a，3b和3c中表示的三相系统使我们认识到可以用一个2N+1维的超立方体来代表多相系统。可以用这样一种方式来表示一个五相系统，它具有诸如平面312那样的两个相互正交的平面，还有一条零序轴线。代表五相系统的这两个平面分别占据一个四维立体空间中的二维空间。这两个相互正交的平面仅仅在坐标系的原点处交叉，因而没有相互作用。这一原理可以普遍地适用于任何奇数相，例如七，九等等。按照本发明的一个方面，通过对2N+1相的电压或电流进行控制来控制N个AC机组(电动机或发电机)。

图4是两个AC机组410和412的简化框图，它们各自通过一个逆变器414，416连接到用电池表示的直流电压母线420和直流电压源422。本领域的技术人员都知道，母线可包括一个以上导电体。图4中的AC机组可以是一个电动机或发电机。在一种操作模式下，机组410和412都按照电动机方式工作，向负载(未示出)提供机械能量，能量是分别通过逆变器414和416由电源422提供的。在另一种操作模式下，机组410和412都可以按照发电机方式工作，逆变器414和416按照整流模式工作，将发电机产生的电能整流成直流。在又一种操作模式下，机组410按照发电机方式工作，而机组412是一个电动机，用于从机组410通过逆变器414向电源422提供能量，并且从电源422通过逆变器416向机组412提供能量。在最后一种操作模式下，提供给电动机412的能量最终是由发电机410产生的。不幸的是，由发电机410产生的能量必须通过逆变器414和416才能到达电动机412。

图5a表示了按照本发明一个方面的设备。在图5a中，用电池422表示的直流电源(它还包括一个直流电压源)被连接到图4所示的直流母线420上。母线420连接到一个五相逆变器514，用来将母线420上的直流电压或电流转换成一组导体520或电流路径520a，520b，520c，520d和520e上的五相电压或电流。流经这些导体或电流路径的电流或电压通过一个相位交换设备550提供给一个五相AC机组510。图5b表示图5a中的AC机组510的绕组，这些绕组连接到一组导体或路径520上。如图5b所示，AC机组510包括一组530的五个绕组530a，530b，530c，530d和530e。本领域的技术人员都知道，五相一组绕组530中的单个绕组523a，530b，530c，530d和530e是实际排列在机组510内部的，为一组绕组530提供渐进相位的电流或电压，就会产生绕着机组渐进的磁场。具体地说，如果分别从绕组520a，520b，520c，520d和520e提供给绕组530a，530b，530c，530d和530e的电流或电压的相位增量是72°，相位1(0°)通过路径520a提供给绕组530a，相位2(72°)通过路径520b提供给绕组530b，相位3(144°)通过路径520c提供给绕组530c，相位4(216°)通过路径520d提供给绕组530d，而相位5(288°)通过路径520e提供给绕组530e，一组绕组530的实际位置是这样的，用同相相加的磁场构成机组中的旋转磁场。这种旋转磁场可以将电能转换成机械运动，或将机械运动转换成相当的电能。绕组530a，530b，530c，530d和530e上分别远离导体520a，520b，520c，520d和520e的端部分别被连接到电流路径或导体520a’，520b’，520c’，520d’和520e’上。本领域的技术人员都知道，从一个导体流入一个绕组的电流，例如是在图5b中从导体520a流入绕组530a的电流也会在连接的其他对应的绕组中流动，对绕组530a来说也就是连接或路径520a’。

图5c表示了图5a中与AC机组512有关的绕组及其与导体或路径当中的一组导体或路径540的连接。如图5c所示，AC机组512包括一组532五个532a，532b，532c，532d和532e。图5c的机组512还涉及到一组540导电体或路径540a，540b，540c，540d和540e。正如本领域的技术人员所知以及上文所述，五相一组绕组532中的单个绕组532a，532b，532c，532d和532e是实际排列在机组512内部的，如果为530提供渐进相位的电流或电压，就会产生绕着机组渐进的磁场。具体地说，如果分别从导体540a，540b，540c，540d和540e提供给绕组532a，532b，532c，532d和532e的电流或电压的相位增量是72°，相位1(0°)通过路径540a提供给绕组532a，相位2(72°)通过路径540b提供给绕组532b，相位3(144°)通过路径540c提供给绕组532c，相位4(216°)通过路径540d提供给绕组532d，而相位5(288°)通过路径540e提供给绕组532e，一组绕组540的实际位置是这样的，用同相相加的磁场构成AC机组512中的旋转磁场。这种旋转磁场可以将电能转换成机械运动，或将机械运动转换成相应的电能。绕组532a，532b，532c，532d和532e上分别远离导体540a，540b，540c，540d和540e的端部分别通过一组540’电流路径或导体中的540a’，540b’，540c’，540d’和540e’连接到一个公共或“短路的”导体542上。本领域的技术人员都知道，从一个导体流入一个绕组的电流，例如是在图5c中从导体540a流入绕组532a的电流也会在连接的其他对应的绕组中流动，对绕组532a来说也就是连接或路径540a’。

图5d是图5a中的一个可能的互连或相位交换设备550的具体示意图。在图5d中，用550表示的互连设备将一组520’导体或电流路径连接到一组导体或电流路径540的电流路径的导体上。按照本发明的一个方面，互连设备550的导体或电流路径的连接方法是，让一定的电流在相应的机组中产生旋转磁场，用剩下的电流来抵销磁场。具体说，在如图5a所示的两个AC机组之一中，由与两个正交平面之一(结合图3a、3b和3c进行描述)相关的电流(α₁、β₁)产生的磁场相加面形成旋转磁场，而与两正交平面中另一个相关的电流(α₂、β₂)产生抵消的磁场，所以不产生旋转磁场。在图5d中，承载任意定为0°相位的电流或电压的导体520a’通过一个互连路径5 50a连接到一组导体540中对应的导体540a上。互连组550的导体550b将一组导体520’中的72°导体520b’互连到一组540中的导体540d上。一组导体550中的导体550c将一组导体520’中的144°导体520c’互连到一组540中的导体540b，一组导体550中的导体550d将一组520’中的216°导体520d’互连到一组540中的导体540e，而一组导体550中的导体550e将一组导体520’中的288°导体520e’互连到一组540中的导体540c。按照图5a，5b，5c和5d所示的互连方式就可以独立地操作两个AC机组510和512。

独立地操作图5a，5b，5c和5d所示的两个机组510和512可以被认为是以三相方式来操作两个机组中的每一个，每个机组所需要的电流或电压加在一起产生旋转磁场。每个机组的这些电压或电流可以被看成是处在一个平面内的α和β分量，例如参照图2，3a，3b和3c所述的情况，但是正如上文所述，此处的这两个平面(α₁、β₁)和(α₂、β₂)是正交的。总共五相电压或电流可以被看成是与两个正交平面有关的的电压或电流的矢量和。两个平面的正交性质所产生的实际结果就是与第一平面有关的五相电压或电流的分量加在一起形成一个旋转磁场，而与两个正交平面之二有关的电压或电流则被抵销了。相加还是抵销是取决于每个机组内部的相位是如何叠加的。图5a和5d所示的互连设备与图5b和5c的绕组配置结合在一起的结果是，在AC机组510中另外还有与一个平面(α₁，β₁)有关的磁场，并且抵销与第二平面(α₂，β₂)有关的磁场，而机组512中的相位是按照这样相加的方式重新排列的，与第二平面(α₂，β₂)加在一起产生旋转磁场，并且抵销与第一平面(α₁，β₁)有关的磁场。

图6表示了可以用于图5a中所示设备的一种五相逆变器的简化示意图。在图6中，包括电流路径420a和420b在内的直流电压或直流电流母线420被连接到电源422上。五个受控的电流路径610a，610b，610c，610d和610e从导体420a延伸到420b。每个路径610a，610b，610c，610d和610e包括两个用Xs表示的可控开关。电流路径610a包括一个上开关612a₁和一个下开关612a₂，中间有一个抽头614a。电流路径610b包括一个上开关612b₁和一个下开关612b₂，中间有一个抽头614b，电流路径610c包括一个上开关612c₁和一个下开关612c₂，中间有一个抽头614c，电流路径610d包括一个上开关612d₁和一个下开关612d₂，中间有一个抽头614d，而电流路径610e包括一个上开关612e₁和一个下开关612e₂，中间有一个抽头614e。一组导体520中的AC导体520a，520b，520c，520d和520e分别被连接到抽头614a，614b，614c，614d和614e上。图6的逆变器514还包括一个用方框608表示的开关控制器，它按照一种适于产生五相电流或电压的方式控制各个开关。用于切换逆变器的控制器在现有技术中是公知的，而用于五相操作方式的控制器也应该是属于本领域普通技术人员的知识范围。

图7是现有技术中的一种磁场定向控制(FOC)型三相AC机组控制器的一个简化框图。图7中的AC机组是由相对0°，120°和240°相位的a，b和c相驱动的一个感应式机组(电动机或发电机)。在图中用712表示公共电流路径或短路母线。用714a和714b表示的电流采样器对a和b导电路径中的电流采样，并且将采样信号连接到一个T3框716。框716根据I_a+I_b+I_c＝0来确定导体C中的电流，并且执行从(a，b，c)坐标系到(α，β)坐标系的T3变换。所得的I_α和I_β和来自一个传感器718的关于电枢或转子角度θ的信息一起被连接到一个FOC控制器720。这种控制器是现有技术中公知的，无需进一步说明。控制器720产生d_α和d_β占空周期控制信号，将这些信号用于以框722表示的反变换T3^-1，用来将d_α和d_β占空周期控制信号变换成d_a，d_b和d_c控制信号。d_a，d_b和d_c控制信号被用于一个三相逆变器724，用来控制流向或来自母线420和图中用电池422表示的一个有关的电源的功率。图7所示设备的一种具体应用就是混合电动车的驱动系统，在这种场合下，电源422是一个牵引电池，电动机710驱动车辆的至少一个车轮，而FOC控制器被用来接收其他控制信号，由这些信号指示出应该提供给电动机的功率，需要采用的再生制动量，以及其他各种信号。

在上述的混合电动车应用中，可以将由燃料操作的机器来驱动的另一种发电机形式的AC机组连接到三相逆变器上，在1998年10月27日授予Hoffman等人的美国专利US5828201和1999年2月9日授予Hoffman等人的美国专利US5869950中有更详细的说明。

按照本发明的一个方面，FOC控制设备针对一对AC机组采用五相控制方式。图8表示了按照本发明这一方面的设备。在图8中，由受控的五相逆变器824在一组导体821上产生五相电压或电流，用于如图5a所示的连接并用框810表示的两个五相电动机。用814a，814b，814c和814d表示的一组电流传感器814中的四个电流传感器检测其所在的各个导体或电流路径中的电流，并且将相应的信号i_a，i_b，i_c和i_d连接到一个T5框816，用来确定没有测量的第五个(e)电流值，并且将测得的a，b，c，d和e电流分量转换成两个相互正交的平面内的电流，再加上一个零序分量。具体地说，图8的框816将i_a，i_b，i_c，i_d和i_e变换或转换成i_α1，i_β1和i_α2，i_β2分量及一个0分量。i_α1和i_β1分量和涉及到与第一电动机的转子角位置的θ₁检测信息一起被提供给用“AC电动机矢量控制”表示的一个框820₁，它是用于框810的两个五相电动机中的第一电动机的FOC控制器。FOC控制器820₁的输出包括被提供给一个T5^-1变换框822的控制信号V_α1和V_β1。框816产生的i_α2和i_β2分量和涉及到与第二电动机的转子角位置的θ₂检测信息一起被提供给用“AC电动机矢量控制”表示的一个框820₂，它是用于框810的两个五相电动机中的第二电动机的FOC控制器。FOC控制器820₂的输出包括和来自FOC控制器820₁的控制信号V_α1和V_β1及来自框816的零序电流信号一起被提供给T5^-1变换框822的控制信号V_α1和V_β1。框822对i_α1，i_β1，0，i_α2和i_β2信号执行T5^-1变换，将它们转换成五相逆变器控制信号V_a，V_b，V_c，V_d和V_e信号。框822产生的V_a，V_b，V_c，V_d和V_e信号被提供给五相逆变器框824，用来控制图6中的一组开关612。

图8的T5框816代表了(a，b，c，d，e)坐标系和(α1，β1，0，α2，β2)坐标系之间的变换。具体的变换公式参见公式(7)

$\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}1}\\ v_{\mathrm{\β}1}\\ v_0\\ v_{\mathrm{\α}2}\\ v_{\mathrm{\β}2}\end{array}\right]=T5\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_0\\ v_d\\ v_e\end{array}\right]----\left(7\right)$

在公式(8)中给出了矩阵[T5]的一种可能的解。

$\left[T5\right]=\left[\begin{array}{ccccc}\frac{\sqrt{10}}{5}& \frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}-1)& -\frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}+1)& -\frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}+1)& \frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}-1)\\ 0& \frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5+\sqrt{5}}\right)& \frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5-\sqrt{5}}\right)& -\frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5-\sqrt{5}}\right)& -\frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5+\sqrt{5}}\right)\\ \frac{\sqrt{5}}{5}& \frac{\sqrt{5}}{5}& \frac{\sqrt{5}}{5}& \frac{\sqrt{5}}{5}& \frac{\sqrt{5}}{5}\\ \frac{\sqrt{10}}{5}& -\frac{\sqrt{10}}{20}\left(\sqrt{5+1}\right)& \frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}-1)& \frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}-1)& -\frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}+1)\\ 0& -\frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5-\sqrt{5}}\right)& \frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5+\sqrt{5}}\right)& -\frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5+\sqrt{5}}\right)& \frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5-\sqrt{5}}\right)\end{array}\right]----\left(8\right)$

同样，公式(9)中确定了图8的框822中的矩阵[T5^-1]

$\left[\begin{array}{c}{v}_a\\ v_b\\ v_c\\ v_d\\ v_e\end{array}\right]=\left[{T5}^{-1}\right]\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{\α}1}\\ v_{\mathrm{\β}1}\\ v_0\\ v_{\mathrm{\α}2}\\ v_{\mathrm{\β}2}\end{array}\right]----\left(9\right)\end{array}$

用公式(10)来表示矩阵[T5^-1]。

$\left[{T5}^{-1}\right]=\left[\begin{array}{ccccc}\frac{\sqrt{10}}{5}& 0& \frac{\sqrt{5}}{5}& \frac{\sqrt{10}}{5}& 0\\ \frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}-1)& \frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5+\sqrt{5}}\right)& \frac{\sqrt{5}}{5}& -\frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}+1)& -\frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5-\sqrt{5}}\right)\\ -\frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}+1)& \frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5-\sqrt{5}}\right)& \frac{\sqrt{5}}{5}& \frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}-1)& \frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5+\sqrt{5}}\right)\\ -\frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}+1)& -\frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5-\sqrt{5}}\right)& \frac{\sqrt{5}}{5}& \frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}-1)& -\frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5+\sqrt{5}}\right)\\ \frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}-1)& -\frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5+\sqrt{5}}\right)& \frac{\sqrt{5}}{5}& -\frac{\sqrt{10}}{20}(\sqrt{5}+1)& \frac{\sqrt{5}}{10}\left(\sqrt{5-\sqrt{5}}\right)\end{array}\right]----\left(10\right)$

公式(10)至少有十个解，图5d的相位交换排列表示了其中之一。在图9a，9b，9c，9d，9e，9f，9g，9h和9i中表示了其它九个解，无需进一步的描述。

图10表示一种采用2N+1相的通用的N-机组系统。在图10中对应着图5a的元件都用相同的符号来表示。电池422通过母线420连接到一个(2N+1)相逆变器上，它按照本发明的方式在一组导体1020a的(2N+1)个导体上产生(2N+1)相驱动信号。一组导体1020a连接到一个(2N+1)-绕组机组1010a的一组(2N+1)个连接点上。机组1010a的(2N+1)个绕组的另一端通过一组导体1020a’连接到第一相位交换框1050a。这一相位交换框通过一组导体1020b连接到同样具有(2N+1)个绕组的第二机组1010b的端子上。机组1010b绕组的另一端通过一组导体1020b’连接到第二相位交换框1050b。相位交换框1050b的输出通过另一组导体1020c继续连接，直至将最后一组导体连接到第N个机组1010N的端子上。机组1010N上远离其它机组的(2N+1)个端子被连接到一个公共导体1042上。

本发明的其它实施例对于本领域的技术人员来说都是公知的。例如，本领域的技术人员都知道，控制器的各种实施例中可能包括模拟或数字电路，或同时采用两种电路。在本文的电气系统中使用的术语“之间”和“跨接”的意思并不是机械或者空间中的概念。这种控制器的说明并没有涉及AC机组用作发电机和电动机，这取决于机组所处的驱动和负载状态，机组可以根据具体的状态在任意一种模式下工作，在发电机操作状态下，系统中的“逆变器”部分所执行的功能相当于整流，从发电机提取AC能量，并且将AC能量提供给直流电压或电流母线。电流传感器组814的传感器检测四个具体相a，b，c和d相的电流，而本领域的技术人员都知道可以对一个N-相系统中任意的N-1相进行检测，并且可以通过计算来确定第N相。

因此，按照本发明一个方面的2N+1相(五相)AC机组(410，412，510，512，710，810)设备中包括了多N个AC机组(410，412，510，512，710，810)，这些AC机组(410，412，510，512，710，810)可以是电动机或者发电机。设备中包括N个AC机组(410，412，510，512，710，810)。这N个AC机组(410，412，510，512，710，810)各自具有2N+1相绕组(530，532)，在绕组中流过交流电流；当然可以有更多的绕组(530，532)，但是绕组(530，532)的有效数量应该是2N+1。设备中也包括一个可控的2N+1相逆变器(414，416，514，724，824)，用来为N个机组(410，412，510，512，710，810)产生2N+1相的电流。将一个互连设备(550)连接到逆变器(414，416，514，724，824)和N个AC机组(410，412，510，512，710，810)上，用来互连N个AC机组(410，412，510，512，710，810)的N个绕组(530，532)，让流经每个机组(410，412，510，512，710，810)的每一个绕组的电流流经N个AC机组(410，412，510，512，710，810)当中其它的每一个机组的绕组(530，532)。控制设备(608，716，720，722，816，820₁，820₂，822)被连接到逆变器(414，416，514，724，824)上，用来以N个相互正交的组的相位控制2N+1相，从而彼此独立地控制N个AC机组(410，412，510，512，710，810)。在按照本发明这一方面的具体设备中，2N+1相AC机组(510，512，810)上各自的2N+1相绕组(530，532)在电气上按照特定的空间相位依次排列，并且用互连设备(550)互连N个AC机组(510，810)的绕组(530，532)，让流经一个AC机组(510，512，810)中对应着一个特定空间相位(b)的绕组(530b)的电流流经另一个AC机组(512，810)中具有不同的空间相位(d)的一个绕组(532d)。在本发明的一个实施例中，流经一个机组(510，810)中具有特定空间相位(a)的绕组(530a)的电流流经另一个机组(512，810)中具有相同空间相位(a)的一个绕组(532a)。

在按照本发明一个方面的具体设备(图5a，8)中，N是2，2N+1是五，两个AC机组(510，512，810)的五个绕组(绕组530和532)各自按照特定的空间相位排列在每个机组(510，512，810)中，并且用互连设备(550)将两个AC机组中第一个机组(510)的所有五相互连到逆变器(514，824)上对应的相位，再连接一个AC机组(510)的一个绕组(530a)，让电流流经另一个AC机组(512)中的一个对应的绕组(532a)。

按照本发明的用来控制包括N个互连的2N+1相AC机组的一种AC机组系统的一种方法，AC机组各自包括对应的空间相位绕组，该方法包括以下步骤，产生2N+1相电流，代表N个相互正交的组的二维电流分组。按照电流的相位与绕组的空间相位的一种特定的对应关系，将电流提供给N个AC机组中第一个机组的空间相位绕组，并且按照电流的相位与绕组的空间相位之间不同于上述特定对应关系的一种对应关系，将电流提供给N个AC机组中第二个机组的空间相位绕组，以这种方式用每一个电流的二维分组独立地控制N个AC机组当中的一个机组。在实现这种方法的一种具体模式下，产生2N+1相电流的步骤中包括对连接到直流母线上的一个五相逆变器进行控制的步骤。实现本发明的这种具体模式还包括一个附加步骤，将N个AC机组中的第一个和第二个连接到一部车的第一和第二车轮上。按照另一种模式，控制五相逆变器的步骤还包括对五相逆变器连接到一个牵引电池上的开关进行控制的步骤。在实现本发明这一方面的方法的再一种具体模式下，产生2N+1相电流的步骤中包括对连接到直流电压母线上的五相逆变器进行控制的步骤，并且还包括一个附加步骤，将N个AC机组中的第一个至少连接到一部车的第一车轮上，并且将N个AC机组中的第二个机组连接到一个机械驱动能源，这种能源可以是一台内燃发动机。

Claims (8)

1.一种2N+1相AC机组感应电动机或发电机设备包括：

N个AC机组，上述N个AC机组各自具有2N+1个流过交流电流的绕组；

一个可控的2N+1相逆变器，用来产生驱动上述N个AC机组的2N+1相电流；

连接到上述逆变器和上述N个AC机组上的互连装置，用于互连上述N个AC机组的上述2N+1个绕组，让流经每个机组的每个绕组的电流流过上述N个AC机组中其他每个机组的绕组；以及

连接到上述逆变器的控制装置，用来以N组相互正交的相位控制上述的2N+1相电流，从而彼此独立地控制上述N个AC机组。

2.按照权利要求1的设备，其特征是上述2N+1相AC机组的2N+1个绕组在电学上各自按照一种特定的空间相位级数排列；并且

用上述互连装置互连上述N个AC机组的上述绕组，让对应着一种特定空间相位的一个上述AC机组的一个绕组中流动的电流流过另一个上述AC机组的一个具有不同空间相位的绕组。

3.按照权利要求1的设备，其特征在于N是二，而2N+1是五，上述逆变器产生五相电流，两个AC机组的五个绕组各自以一种特定的空间相位排列在每个机组中；并且

上述互连装置将上述两个AC机组中前一个机组的所有五相绕组互连到上述逆变器中对应的相，并且连接上述前一个AC机组的一个绕组，让电流流过上述两个AC机组中另一个机组中的一个对应的绕组。

4.用来控制包括N个互连的2N+1相AC机组的一个AC机组系统的一种方法，AC机组各自包括对应的空间相位绕组，上述方法包括以下步骤：

产生2N+1相电流，代表N组相互正交的电流的二维分组；

按照上述电流的上述相位与上述绕组的上述空间相位的一种特定对应关系，让上述2N+1相电流通过上述N个AC机组中第一个机组的上述空间相位绕组；并且

按照上述电流的上述相位与上述绕组的上述空间相位之间不同于上述特定对应关系的一种对应关系，让上述2N+1相电流通过上述N个AC机组中第二个机组的上述空间相位绕组，以这种方式用每一个上述电流的上述二维分组独立地控制上述N个AC机组当中的一个机组。

5.按照权利要求4的方法，其特征是：

上述产生2N+1相电流的步骤中包括对连接到直流电压母线上的一个五相逆变器进行控制的步骤；

并且还包括一个附加步骤，将上述N个AC机组中的第一个机组和第二个机组连接到一部车的第一和第二车轮上。

6.按照权利要求5的方法，其特征是上述控制五相逆变器的步骤中包括对连接到一个牵引电池上的五相逆变器开关进行控制的步骤。

7.按照权利要求4的方法，其特征是：

上述产生2N+1相电流的步骤中包括对连接到直流电压母线上的一个五相逆变器进行控制的步骤；

并且还包括一个附加步骤，将上述N个AC机组中的第一个机组至少连接到一部车的第一车轮上，并且将上述N个AC机组中的第二个机组连接到一个机械驱动能源。

8.按照权利要求7的方法，其特征是将上述N个AC机组中的第二个机组连接到机械驱动能源的上述步骤中包括将上述N个AC机组中的上述第二个机组连接到一台内燃机上的步骤。

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