1.本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于交直流同线供电的交流电机和直流电机混合控制系统。
背景技术：
2.交流电机与直流电机已广泛应用于各个领域。目前，交流电机与直流电机控制器相互独立，需要分别为交流电机和直流电机配置变换器及其控制器，使得变换器和控制器的设计成本增加。电力领域中，一直在寻求能够降低成本的方法，用更少的设备的同时还能达到相同的效果。
技术实现要素：
3.本发明的目的在于提供一种交流电机和直流电机混合控制系统，该系统可以通过一套变换器和控制器实现交流电机和直流电机的独立控制，降低了系统成本。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种交流电机和直流电机混合控制系统，包括交直流同线供电变换器（2000）、交错接线交流电机（3000）、直流电机（4000）和控制器（5000），所述交直流同线供电变换器（2000）通过交流线路（1010）与交流系统（1000）连接，所述交直流同线供电变换器（2000）通过交直流同线线路（2010）连接交错接线交流电机（3000）三相输入，所述交错接线交流电机（3000）的中性点通过正极导线（4010）连接直流电机（4000）的正极，所述交直流同线供电变换器（2000）通过负极导线（4020）连接直流电机（4000）的负极；所述控制器（5000）分别与交流系统（1000）、交直流同线供电变换器（2000）、交错接线交流电机（3000）、直流电机（4000）连接。
5.进一步地，所述交直流同线供电变换器（2000）用于将交流系统（1000）输出的交流电能形式，转换为可调可控的三相交流电压和直流电压同线叠加的电能形式；所述交直流同线供电变换器（2000）包括整流器（2100）和逆变器（2200），所述整流器（2100）和逆变器（2200）共用直流母线电容（2300）；所述整流器（2100）通过交流线路（1010）与交流系统（1000）连接，将交流系统（1000）的交流转换为直流；所述逆变器（2200）通过交直流同线线路（2010）连接交错接线交流电机（3000）三相输入。
6.进一步地，所述控制器（5000）包括整流控制器（5100）、交流电机控制器（5200）、直流电机控制器（5300）和叠加调制器（5400）；所述控制器（5000）通过测量交流系统（1000）控制参数（1200），通过整流控制器（5100）控制整流器（2100），实现可控整流，将交流转换为直流；所述控制器（5000）通过测量交错接线电机（3000）和直流电机（4000），分别得到交流电机运行参数（3100）和直流电机运行参数（4100），再通过交流电机控制器（5200）和直流电机控制器（5300），分别得到两台电机的控制参数，然后通过叠加调制器（5400）后控制交直流同线供电变换器（2000）的逆变器（2200）。
7.进一步地，所述叠加调制器（5400）的叠加调制原理为：交流电机控制参数的参考波是交流信号，直流电机控制参数的参考波是直流信号，叠加后形成交直流叠加调制波，通
过与三角载波比较得到驱动脉冲，以此控制逆变器（2200），实现输出电压中交流和直流分量的叠加。
8.进一步地，在叠加调制过程中，给正弦调制波叠加一个直流分量，产生含直流偏置的交直流叠加参考波，然后通过与三角载波比较得到驱动脉冲；调制波大于载波时输出正的驱动电压，使电力电子器件开通，调制波小于载波时输出负的驱动电压，使器件关断；在调制波中叠加一个直流分量，输出结果含有交流分量，也含有直流分量；输出直流的大小随叠加的直流调制波变化而变化，直流调制波越大，输出直流越大；输出交流的大小随叠加的交流调制波变化而变化，交流调制波越大，输出交流越大。
9.进一步地，所述交错接线交流电机（3000）的定子侧由12个相同绕组采用交错接线接法连接，每相4个绕组；a相4个绕组分别是绕组（a1x1）、绕组（a2x2）、绕组（a3x3）和绕组（a4x4），b相4个绕组分别是绕组（b1y1）、绕组（b2y2）、绕组（b3y3）和绕组（b4y4），c相4个绕组分别是绕组（c1z1）、绕组（c2z2）、绕组（c3z3）和绕组（c4z4）。
10.进一步地，所述交错接线交流电机（3000）的定子侧三相绕组采用交错接线接法连接，其中a相绕组（a1x1）首端接交直流同线线路（2010）的a相，a相绕组（a1x1）末端与b相绕组（b3y3）末端相连，绕组（a2x2）首端与绕组（c4z4）首端相连，绕组（a2x2）末端与绕组（a3x3）首端相连，绕组（a3x3）末端与绕组（c1z1）末端相连，绕组（a4x4）首端与绕组（b2y2）首端相连，绕组（a4x4）末端接中性点（n）；b相绕组（b1y1）首端接交直流同线线路（2010）的b相，b相绕组（b1y1）末端与c相绕组（c3z3）末端相连，绕组（b2y2）首端与绕组（a4x4）首端相连，绕组（b2y2）末端与绕组（b3y3）首端相连，绕组（b3y3）末端与绕组（a1x1）末端相连，绕组（b4y4）首端与绕组（c2z2）首端相连，绕组（b4y4）末端接中性点（n）；c相绕组（c1z1）首端接交直流同线线路（2010）的c相，c相绕组（c1z1）末端与a相绕组（a3x3）末端相连，绕组（c2z2）首端与绕组（b4y4）首端相连，绕组（c2z2）末端与绕组（c3z3）首端相连，绕组（c3z3）末端与绕组（b1y1）末端相连，绕组（c4z4）首端与绕组（a2x2）首端相连，绕组（c4z4）末端接中性点（n）。
11.进一步地，a相绕组（a2x2）和绕组（a3x3）与c相绕组（c1z1）和绕组（c4z4）电压矢量在相位上相差60
°
，起移相作用，这四个绕组电压矢量依照平行四边形法则得到的合成电压矢量即为c相电压矢量（nc）；b相绕组（b2y2）和绕组（b3y3）与a相绕组（a1x1）和绕组（a4x4）电压矢量在相位上相差60
°
，起移相作用，这四个绕组电压矢量依照平行四边形法则得到的合成电压矢量即为a相电压矢量（na）；c相绕组（c2z2）和绕组（c3z3）与b相绕组（b1y1）和绕组（b4y4）电压矢量在相位上相差60
°
，起移相作用，这四个绕组电压矢量依照平行四边形法则得到的合成电压矢量即为c相电压矢量（nb）；当定子侧三相绕组通入直流电流时，a相绕组（a1x1）和绕组（a2x2）产生磁通大小相等，方向相反，绕组（a3x3）和绕组（a4x4）产生磁通大小相等，方向相反，即a相四个绕组产生的直流磁通相互抵消；b相绕组（b1y1）和绕组（b2y2）产生磁通大小相等，方向相反，绕组（b3y3）和绕组（b4y4）产生磁通大小相等，方向相反，即b相四个绕组产生的直流磁通相互抵消；c相绕组（c1z1）和绕组（c2z2）产生磁通大小相等，方向相反，c相绕组（c3z3）和绕组（c4z4）产生磁通大小相等，方向相反，即c相四个绕组产生的直流磁通相互抵消。
12.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、本发明采用一套电力电子变换器及其控制器，控制两台电机的运行，较以往的
控制系统减少了一台电力电子变换器及其控制器的使用，从而降低了系统成本。
13.2、与以往交直流输电不同的是，本发明不需要利用交错接线变压器来实现交直流耦合，直接通过一台变换器和控制器产生独立可控的交直流耦合的电压，可以减少成本。
14.3、交错接线交流电机不仅可以作为交流电机使用，还可以实现解耦交直流，因此简化了电路拓扑和控制过程，不再需要其他设备来实现交直流解耦。
附图说明
15.图1是本发明实施例的系统结构框图；图2是本发明实施例中交直流同线供电变换器的结构示意图；图3是本发明实施例中控制器的控制原理框图；图4是本发明实施例中叠加调制器的叠加调制原理图；图5是本发明实施例中交错接线交流电机的定子绕组接线图；图6是本发明实施例中交错接线交流电机的定子绕组电压矢量图；图7是本发明实施例的控制原理图。
具体实施方式
16.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
17.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
18.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
19.如图1、7所示，本实施例提供了一种交流电机和直流电机混合控制系统，包括交直流同线供电变换器2000、交错接线交流电机3000、直流电机4000和控制器5000，所述交直流同线供电变换器2000通过交流线路1010与交流系统1000连接，所述交直流同线供电变换器2000通过交直流同线线路2010连接交错接线交流电机3000三相输入，所述交错接线交流电机3000的中性点通过正极导线4010连接直流电机4000的正极，所述交直流同线供电变换器2000通过负极导线4020连接直流电机4000的负极；所述控制器5000分别与交流系统1000、交直流同线供电变换器2000、交错接线交流电机3000、直流电机4000连接。
20.所述交直流同线供电变换器2000用于将交流系统1000输出的交流电能形式，转换为可调可控的三相交流电压和直流电压同线叠加的电能形式。如图2所示，所述交直流同线供电变换器2000包括整流器2100和逆变器2200，所述整流器2100和逆变器2200共用直流母线电容2300；所述整流器2100通过交流线路1010与交流系统1000连接，将交流系统1000的交流转换为直流；所述逆变器2200通过交直流同线线路2010连接交错接线交流电机3000三相输入。
21.所述控制器5000通过传感器测量实际交流电机与直流电机的转速和位置信息，对于直流电机，将其测得转速与给定转速进行比较和调节，直接得到直流电机控制给定值；对
于交流电机，先对交流电机转速进行比较和调节，得到给定电磁转矩，与实际电机运行参数计算出的实际转矩进行转矩比较调节，得到给定i
qref
,通过磁链比较器得到给定i
dref
，经反派克变换后与定子三相电流做比较调节，通过滞环比较器输出交流电机控制电流。最后将得到的交流电机控制参考波与直流电机控制参考波叠加后进行脉冲宽度调制，供变换器控制输出。
22.如图3所示，所述控制器5000包括整流控制器5100、交流电机控制器5200、直流电机控制器5300和叠加调制器5400；所述控制器5000通过测量交流系统1000控制参数1200，通过整流控制器5100控制整流器2100，实现可控整流，将交流转换为直流；所述控制器5000通过测量交错接线电机3000和直流电机4000，分别得到交流电机运行参数3100和直流电机运行参数4100，再通过交流电机控制器5200和直流电机控制器5300，分别得到两台电机的控制参数，然后通过叠加调制器5400后控制交直流同线供电变换器2000的逆变器2200。
23.如图4所示，所述叠加调制器5400的叠加调制原理为：交流电机控制参数的参考波是交流信号，直流电机控制参数的参考波是直流信号，叠加后形成交直流叠加调制波，通过与三角载波比较得到驱动脉冲，以此控制逆变器2200，实现输出电压中交流和直流分量的叠加。
24.在叠加调制过程中，给正弦调制波叠加一个直流分量，产生含直流偏置的交直流叠加参考波，然后通过与三角载波比较得到驱动脉冲；调制波大于载波时输出正的驱动电压，使电力电子器件开通，调制波小于载波时输出负的驱动电压，使器件关断；在调制波中叠加一个直流分量，输出结果含有交流分量，也含有直流分量；输出直流的大小随叠加的直流调制波变化而变化，直流调制波越大，输出直流越大；输出交流的大小随叠加的交流调制波变化而变化，交流调制波越大，输出交流越大。
25.如图5所示，所述交错接线交流电机3000的定子侧由12个相同绕组采用交错接线接法连接，每相4个绕组；a相4个绕组分别是绕组a1x1、绕组a2x2、绕组a3x3和绕组a4x4，b相4个绕组分别是绕组b1y1、绕组b2y2、绕组b3y3和绕组b4y4，c相4个绕组分别是绕组c1z1、绕组c2z2、绕组c3z3和绕组c4z4。
26.在本实施例中，所述交错接线交流电机3000的定子侧三相绕组采用交错接线接法连接，其中a相绕组a1x1首端接交直流同线线路2010的a相，a相绕组a1x1末端与b相绕组b3y3末端相连，绕组a2x2首端与绕组c4z4首端相连，绕组a2x2末端与绕组a3x3首端相连，绕组a3x3末端与绕组c1z1末端相连，绕组a4x4首端与绕组b2y2首端相连，绕组a4x4末端接中性点n；b相绕组b1y1首端接交直流同线线路2010的b相，b相绕组b1y1末端与c相绕组c3z3末端相连，绕组b2y2首端与绕组a4x4首端相连，绕组b2y2末端与绕组b3y3首端相连，绕组b3y3末端与绕组a1x1末端相连，绕组b4y4首端与绕组c2z2首端相连，绕组b4y4末端接中性点n；c相绕组c1z1首端接交直流同线线路2010的c相，c相绕组c1z1末端与a相绕组a3x3末端相连，绕组c2z2首端与绕组b4y4首端相连，绕组c2z2末端与绕组c3z3首端相连，绕组c3z3末端与绕组b1y1末端相连，绕组c4z4首端与绕组a2x2首端相连，绕组c4z4末端接中性点n。
27.交错接线交流电机3000的电压矢量关系为：a相绕组a2x2和绕组a3x3与c相绕组c1z1和绕组c4z4电压矢量在相位上相差60
°
，起移相作用，这四个绕组电压矢量依照平行四边形法则得到的合成电压矢量即为c相电压矢量nc；b相绕组b2y2和绕组b3y3与a相绕组a1x1和绕组a4x4电压矢量在相位上相差60
°
，起移相作用，这四个绕组电压矢量依照平行四
边形法则得到的合成电压矢量即为a相电压矢量na；c相绕组c2z2和绕组c3z3与b相绕组b1y1和绕组b4y4电压矢量在相位上相差60
°
，起移相作用，这四个绕组电压矢量依照平行四边形法则得到的合成电压矢量即为c相电压矢量nb；当定子侧三相绕组通入直流电流时，a相绕组a1x1和绕组a2x2产生磁通大小相等，方向相反，绕组a3x3和绕组a4x4产生磁通大小相等，方向相反，即a相四个绕组产生的直流磁通相互抵消；b相绕组b1y1和绕组b2y2产生磁通大小相等，方向相反，绕组b3y3和绕组b4y4产生磁通大小相等，方向相反，即b相四个绕组产生的直流磁通相互抵消；c相绕组c1z1和绕组c2z2产生磁通大小相等，方向相反，c相绕组c3z3和绕组c4z4产生磁通大小相等，方向相反，即c相四个绕组产生的直流磁通相互抵消。因此，当定子侧三相绕组通入直流电流时，三相各自的4个绕组之间直流磁通相互抵消，不存在磁路直流饱和问题。
28.所述直流电机4000的正极通过正极导线4100与交错接线交流电机3000的中性点3200相接，负极通过负极导线4200与交直流同线供电变换器2000相接，从而形成直流回路。
29.本发明通过交直流同线供电变换器2000及其控制器5000，产生交流和直流独立可控的交直流同线电压，交错接线交流电机3000通过定子侧绕组的交错接线，实现直流磁通相互抵消，达到交直流功率完全解耦的目的，其中交流分量控制交错接线交流电机3000，而直流分量控制直流电机4000。因此，交错接线交流电机3000不受直流偏磁的影响，直流电机4000不受交流波动影响，两台电机虽然在电气上不隔离，但控制上相互独立。
30.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。