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与流程

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种用于永磁同步电机驱动系统的功率变换器及其控制方法。

背景技术：

永磁同步电动机(Permanent magnetic synchronous machine，PMSM)具有结构简单、功率密度大、维护方便等优点，在家用电器、工业生产、汽车驱动等领域已逐步取代直流有刷电机和异步电机。目前，PMSM的驱动系统普遍采用附图1所示的电压源型逆变器，它使用大容值电解电容吸收电网脉动功率，以稳定直流母线电压，实现电机高性能运行。然而，电解电容的使用寿命仅有8000小时(85℃)，并随着工作温度的增加快速下降，从而导致电机驱动系统的寿命和可靠性下降。有文献记载表明：60％的电压源型逆变器故障是电解电容失效造成。为解决这一问题，一般使用长寿命、高可靠性的薄膜电容替代电解电容，但受成本约束，电机驱动系统仅能使用低容值的薄膜电容，而它无法有效吸收电网的脉动功率，直流母线电压存在大幅度波动，导致电机输出功率、转矩脉动增加，严重降低了电机的动态和静态性能，限制了无电解电容功率变换器在电机驱动领域的应用。目前，已有的基于Z源逆变器的无电解电容功率变换器利用Z源网络实现薄膜电容替代电解电容，但是存在器件多、电感制作难度大、控制复杂、电网侧电能质量差、仅适用于大惯性负载等缺点；升压型有源功率解耦电路可以实现电机驱动系统的功率平衡，但是母线电压的提升增加了三相逆变器的成本。在直流母线上并联功率处理电路可以在电网电压较低时降低母线电压波动，但存在电网侧功率因数低、电流谐波含量大的缺点。为此，如何设计出能提高电机运行性能的无电解电容功率变换器是本领域的难点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于永磁同步电机驱动系统的新型无电解电容功率变换器及其控制方法，通过新型有源功率缓冲电路，匹配相应的控制策略，可以用无电解电容取代电解电容实现驱动系统功率解耦，从而提高电机驱动系统的寿命和可靠性。

为实现上述目的，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如下技术方案：包括连接电网单相整流电路单元和连接永磁同步电机的三相逆变器，还包括由第一电感、第二电感，薄膜电容，第五二极管、第六二极管、第七二极管和第一开关管、第二开关管组成的有源功率缓冲电路，单相整流电路单元的输出正极与第一电感的一端连接、输出负极同时与第七二极管的阳极、第二开关管的源极、薄膜电容的负极、三相逆变桥的输入负极连接；第二开关管的漏极与第二电感的一端、第六二极管的阳极连接，第七二极管的阴极与第二电感的另一端连接，同时与第一开关管的源极连接；第一开关管的漏极与第一电感的另一端、第五二极管的阳极连接，第五二极管的阴极和薄膜电容的正极连接，同时与第六二极管的阴极、三相逆变器的输入正极连接。

本发明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如下技术方案：通过对第一开关管、第二开关管的导通、关断实现电网电流跟踪电网电压变化；采用有源功率缓冲电路吸收电网脉动功率。

进一步地，当电网输出电流i_g与设定参考电流之差小于-ΔI，导通第一开关管和第二开关管，薄膜电容通过三相逆变器给电机提供能量，直至电网输出电流i_g大于时结束，ΔI为电流滞环宽度；当电网输出电流i_g大于时，关断第一开关管和第二开关管，电网、第一电感串联给电机提供能量，第二电感经第六二极管、第七二极管将剩余的能量存储在薄膜电容中，直至电网输出电流i_g小于时结束。

进一步地，电网输出功率P_g大于电机输入功率P_M时，当第一开关管和第二开关管导通，对电网输出功率P_g的存储，薄膜电容通过三相逆变器给电机提供能量，当第一开关管和第二开关管关断，电网和第一电感为电机提供能量；电网输出功率P_g小于电机输入功率P_M时，导通第一开关管和第二开关管，薄膜电容通过三相逆变器给电机提供能量，关断第一开关管和第二开关管，第二电感和薄膜电容为电机提供能量。

本发明采用上述技术方案后具有的技术效果是：

1、本发明采用有源功率缓冲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，可实现电网输出电流低谐波、高功率因数的运行；当电网输出功率大于电机输入功率时，电网通过三相逆变器单元直接向电机供电，有源功率缓冲电路吸收电网多余脉动能量；当电网输出功率小于电机输入功率时，有源功率缓冲电路释放能量用于电机工作，电机由该有源功率缓冲电路单元提供能量，电机由薄膜电容供电，电网不再向电机提供能量。有源功率缓冲电路通过有源器件，结合薄膜电容吸收、释放能量，有效降低了直流母线电压的波动，有利于电机高性能的运行。由此，本发明无电解电容功率变换器在保证电机运行性能的前提下，实现电网侧功率因数近似为1的运行，且电网输出电流的谐波低于5％，有效提高了电网侧电能质量。提高了驱动系统的使用寿命，降低了电机转矩脉动，

2、本发明可以在电机驱动系统使用小容量薄膜电容时，有效降低直流母线电压的波动，提高直流母线平均电压，从而在提高电机驱动系统使用寿命、可靠性的前提下，实现电机高性能运行。

3、本发明的直流母线平均电压近似等于电网峰值电压，从而可使用现有的三相逆变器，无需增加三相逆变器，降低了驱动系统成本，便于现有驱动系统的升级和改造。

4、本发明的电网侧电能质量与电机控制相互独立，简化了控制器的设计。

5、利用有源缓冲电路替代大容量电解电容实现电机驱动系统的功率解耦，有效降低直流母线电压的波动。此外，该功率变换器直流母线电压平均值近似等于电网电压峰值，能够在不增加逆变器功率器件电压应力的前提下，显著提高驱动系统的寿命和可靠性，同时具有电机转矩脉动低、电网侧输出电流谐波含量低等优点。

附图说明

图1是传统的电压源型逆变器的结构示意图；

图2本发明提出的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器的结构示意图；

图3是图1中电网输出功率示意图；

图4是图1中有源功率缓冲电路的功率补偿示意图；

图5是图1中电机输入功率示意图；

图6是图1中当电网输出功率大于电机输入功率时，有源功率缓冲电路中两个开关管导通时的工作原理图；

图7是图1中当电网输出功率大于电机输入功率时，有源功率缓冲电路中两个开关管关断时的工作原理图；

图8是图1中当电网输出功率小于电机输入功率时，有源功率缓冲电路中两个开关管关断时的工作原理图。

具体实施方式

如图2所示，本发明提出的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器包括单相整流电路单元A、有源功率缓冲电路C和三相逆变器B。单相整流电路单元A的输入端与电网U_g相连，单相整流电路单元A输出端的正极与有源功率缓冲电路C的正极相连，单相整流电路单元A输出端的负极与有源功率缓冲电路C的负极和三相逆变器B的负极相连。三相逆变器B的输入端的正极与有源功率缓冲电路C输出端的正极相连，三相逆变器B的输出端连接永磁同步电机的三相绕组。

单相整流电路单元A由四个二极管D1、D2、D3、D4构成。三相逆变器B由六个功率器件T1-T6构成，功率器件T1-T6根据电机转子位置开关和关断，如果T1、T3、T5有一个导通，对应的功率器件T2、T4、T6有两个导通；如果T1、T3、T5有两个导通，对应的功率器件T2、T4、T6有一个导通；同时，功率器件T1-T6存在同时关断的工作状态，此时电机处于惯性运行，不从电源获取能量。

有源功率缓冲电路C由第一电感L1、第二电感L2，薄膜电容C1，第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第一开关管S1、第二开关管S2组成。其中薄膜电容C1用于存储、释放电网脉动能量，稳定直流母线电压。第一开关管S1和第二开关管S2的开关频率相同，同时开启和关闭；第一电感L1、第二电感L2在第一开关管S1、第二开关管S2作用下控制第一电感L1、第二电感L2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。

单相整流电路单元A的输出正极与第一电感L1的一端连接，单相整流电路A的输出负极同时与第七二极管D7的阳极、第二开关管S2的源极、薄膜电容C1的负极、三相逆变桥B的输入负极连接。

第二开关管S2的漏极与第二电感L2的一端、第六二极管D6的阳极连接，第七二极管D7的阴极与第二电感L2的另一端连接，同时与第一开关管S1的源极连接，第一开关管S1的漏极与第一电感L1的另一端、第五二极管D5的阳极连接，第五二极管D5的阴极和薄膜电容C1的正极连接，同时与第六二极管D6的阴极、三相逆变器B的输入正极连接。

本发明所述永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器的控制目标有两个：一是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，从而提高电网侧电能质量；二是利用有源功率缓冲电路C平衡电网输出功率波动，并保持恒定的电机输入功率，有效降低了直流母线电压的波动，从而降低逆变器成本，提高电机的动态、静态性能。具体如下：

控制目标一：采用电流滞环控制，通过对第一开关管S1、第二开关管S2的导通、关断实现电网电流跟踪电网电压变化。具体过程为：当电网输出电流i_g与设定参考电流之差小于-ΔI时，其中ΔI为电流滞环宽度，通常设计为电网电流峰值的5％，第一开关管S1和第二开关管S2导通，电网电流、第一电感L1、第二电感L2电流上升，实现对电网输出功率的存储，薄膜电容C1通过三相逆变桥B给电机提供能量。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，第一开关管S1和第二开关管S2关断，电网、第一电感L1串联给电机提供能量，电网电流下降，同时第二电感L2经第六二极管D6、第七二极管D7将剩余的能量存储在薄膜电容C1中，该过程直至电网输出电流i_g小于时结束。如图3所示的电网输出功率P_g，它以2倍的电网频率脉动。如图4所示的有源功率缓冲电路C的功率P_buf变化，当电网输出功率P_g大于电机输入功率P_M，有源功率缓冲电路C充电吸收电网多余能量；当电网输出功率P_g小于电机输入功率P_M时，有源功率缓冲电路C放电释放能量用于电机工作，从而获得如图5所示的稳定的电机输入功率P_M。

控制目标二：利用有源功率缓冲电路C实现对电网脉动功率的吸收，并实现直流母线电网脉动的降低，从而提高电机运行性能。具体控制过程参见下表1和图5-7(假设电机从电源获取能量)：

表1

当电网输出功率P_g大于电机输入功率P_M时，薄膜电容C1吸收能量大于释放能量，薄膜电容C1电压上升，同时结合控制目标一的要求，当第一开关管S1和第二开关管S2导通时，如图6所示，第一电感L1和第二电感L2的电流上升，实现对电网输出功率P_g的存储，薄膜电容C1通过三相逆变器B给电机提供能量，当第一开关管S1和第二开关管S2关断时，如图7所示，电网和第一电感L1为电机提供能量，电网剩余能量存储在薄膜电容C1中；当电网输出功率P_g小于电机输入功率P_M时，薄膜电容C1吸收能量小于释放能量，薄膜电容C1电压下降，同时结合控制目标一的要求，当第一开关管S1和第二开关管S2导通时，如6所示，第一电感L1和第二电感L2电流上升，实现对电网输出功率P_g的存储，薄膜电容C1通过三相逆变器B给电机提供能量，当第一开关管S1和第二开关管S2关断时，如图8所示，第二电感L2和薄膜电容C1为电机提供能量。

假设电网电流和电网电压同相位，则电网输出功率P_g为：

P_g＝2U_gI_g(sinωt)²＝U_gI_g(1-cos(2ωt))＝P_M-P_M cos(2ωt) (1)

式中Ug、Ig分别是电网电压和电流的有效值，ω为电网的角频率，P_M为电机输入功率。由式(1)可知，电网输出功率P_g以电网频率的2倍脉动，而电机输入功率P_M是恒定的。在电网输出功率P_g大于电机输入功率P_M时吸收能量，在小于电电机输入功率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大于电机输入功率P_M时，电网输出的脉动能量W_r为：

式中ωt₁、ωt₂分别对应π/4(5π/4)和3π/4(7π/4)。式(2)表明：在电网角频率ω不变条件下，电网输出的脉动能量W_r和电机输入功率P_M成正比关系。与电容相比，第一电感L1和第二电感L2存储能量可以忽略不计，故有：

式中U_{c_max}、U_{c_min}分别是直流母线的最高、最低工作电压，即单相整流电路单元A输出的最高、最低工作电压，可根据功率器件电压等级确定U_{c_max}，根据电机工作性能选择U_{c_min}，参数确定后，则可根据下式得到所需薄膜电容C1容值：

当第一开关管S1、第二开关管S2导通时，第一电感L1两端电压U_L1为：

U_L1＝U_{g_max}-U_L2 (5)

式中U_{g_max}、U_L2分别为电网峰值电压、第二电感L2两端电压。当第一开关管S1、第二开关管S2闭合时，第一电感L1两端电压U_L1为：

U_L1＝U_c-U_{g_max} (6)

U_c是薄膜电容C1的电压。

根据伏秒平衡原理，有下列公式存在：

(U_{g_max}-U_c)t_on＝(U_c-U_{g_max})t_off (7)

其中t_on、t_off分别是一个开关周期内第一开关管S1和第二开关管S2的导通时间和关断时间，对式(7)进行变换最后可得单相整流电路单元A输出的电压U_DC，也即直流母线电压U_DC为：

式(8)表明，直流母线电压U_DC近似等于电网电压峰值，从而无需增加三相逆变器B的功率器件电压。

为确保功率缓冲电路C正常工作，第一电感L1工作在电流连续模式，第二电感L2工作在电流断续模式，而当第一开关管S1和第二开关管S2导通时，应能使第一电感L1、第二电感L2电流相同，故第二电感L2的感抗值为第一电感L1感抗值的10-30％。则第一电感L1和第二电感L2感抗值之和为：

式中D_max对应第一开关管S1、第二开关管S2最大占空比，f_sw为第一开关管S1、第二开关管S2的工作频率。