基于电力电子变换器的开绕组电机模拟器及其控制系统

1.本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种基于电力电子变换器的开绕组电机模拟器及其控制系统。


背景技术：

2.传统的电机驱动系统的设计和测试需要依赖于电机本体和电机对拖平台的搭建，这样的电机台架测试平台往往受到许多因素的限制：其功率等级需要与电机驱动器相匹配，对于大功率电机驱动器的测试，一台大功率旋转电机是无法通过一台小功率电机进行“缩比”等效替代的，电机惯性、阻感比与电机质量、体积直接相关；且由于其是一个旋转机械设备，其转速受到实际安装条件的限制，这样的一套旋转机械非常笨重，安装和维护要求高，且需要占用较大的空间，往往还需要配备额外的设施以保证测试安全。除此之外，实际电机一旦出厂，其本体参数便基本固定，不易调节，不同的电驱控制器需要外带不同的电机负载进行实验，而电机对拖平台不具有泛用性，为了针对某一个电机驱动系统进行测试需要进行专门的设计，也就造成了较高的测试成本，延缓电机驱动系统的开发进度。经常出现电机驱动系统开发完成待测试的时候，电机及其测试平台还没有到位的情况，对工程和研发带来了进度的延迟。由于以上这些原因，电机模拟器作为一种新兴的测试技术，开始被逐渐应用于对电机驱动系统的测试。电机模拟器利用实时仿真器对电机的物理模型进行实时计算，用功率放大器与待测电机驱动器相连，通过功率接口和控制算法的配合，实时模拟出电机的端口特性。电机模拟器具有灵活度高，成本低，无旋转部件，能量损耗低，安全可靠等多方面的优势。
3.在交流调速系统中，为了获得更宽的调速范围，常常采用将电机绕组打开，两侧连接逆变器的方法，构成开绕组电机系统。由于电机的端口数量翻倍，其控制自由度更高，极大的增强了其容错性能和灵活性。然而，现有的电机模拟器主要针对绕组星接交流电机，无法完成对开绕组电机特性的模拟，亟需针对开绕组电机的端口特性设计电机模拟器，以拓展电机模拟器的应用范围。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于电力电子变换器的开绕组电机模拟器及其控制系统，其目的在于模拟开绕电机的端口特性，对开绕组电机的驱动系统进行测试。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于电力电子变换器的开绕组电机模拟器，，包括：模拟器变换器、连接电感、单相共模抑制电抗器、零序抑制电抗器、直流稳压电容和模拟器控制系统；
6.模拟器变换器的每一相分别连接一个单相共模抑制电抗器和两个连接电感；模拟器变换器的直流侧并联直流稳压电容，并通过零序抑制电抗器与待测试的开绕组电机驱动变频器的直流侧连接，实现能量的回馈；
7.所述模拟器控制系统，用于检测电机模拟器的六个端口的电压、电流信号，向待测试的电机驱动控制器发出转速和位置信息，执行电机模拟算法，并向模拟器变换器发出pwm脉冲；
8.所述模拟器变换器，用于根据模拟器控制系统的指令电压进行功率放大；
9.单相共模抑制电抗器，用于抑制每一相的高频共模电流；
10.零序抑制电抗器，用于抑制由能量回馈通路引入的高频零序环流；
11.直流稳压电容，用于稳定模拟器变换器的直流侧电压。
12.进一步地，所述模拟器变换器由三相全桥逆变器构成。
13.进一步地，所述模拟器控制系统包括：六路电压采样模块，用于分别采集待测试的开绕组电机驱动变频器的六个端口相对于直流母线中点的电压；
14.六路电流采样模块，用于分别采集模拟器变换器六个交流侧端口上的电流；
15.实时数字信号处理器，用于对开绕组电机模型进行实时计算，执行电流控制算法，向pwm模块输出占空比指令；
16.六路pwm模块，用于接收实时数字信号处理器发出的占空比指令，调制并向模拟器变换器发出12路脉冲信号。
17.按照本发明的另一方面提供了一种上述基于电力电子变换器的开绕组电机模拟器的控制系统，包括：
18.采样计算环节，用于根据采样得到的六路电压和六路电流信号计算每一相的共模电压、差模电压、共模输出电流和差模环流，并将三相差模电压、三相差模环流变换到dq0坐标系下；
19.电机模型计算环节，用于接收三相差模电压的dq0分量，实时对开绕组电机的等效电路模型进行计算，生成dq0坐标系下的参考电流，并根据参考电流和电机机械模型计算转子转速和电机转子电角度；
20.电流控制环节，用于接收三相共模电压、三相共模输出电流、三相差模环流的dq0分量、三相差模电压的dq0分量、dq0坐标系下的参考电流、电机转子电角度和转子转速，并执行电流控制算法，生成六路占空比指令；
21.调制环节，用于接收六路占空比指令，与统一的载波进行比较，生成12路脉冲，传递给模拟器变换器。
22.进一步地，共模电压，差模电压，共模输出电流和差模环流的计算公式分别为：
[0023][0024]vdm,i
＝v
1,i-v
2,i
,
[0025]icm,i
＝i
1,i
+i
2,i
[0026][0027]
其中，i＝a,b,c，v
1,i
和v
2,i
分别是每一相两个端口上的电压，下标1表示一号端口，下标2表示二号端口，v
cm,i
是其共模电压，v
dm,i
是其差模电压；i
1,i
和i
2,i
分别是每一相两个支路上的电流，i
cm,i
是其共模输出电流，i
dm,i
是其差模环流。
[0028]
进一步地，电机模型计算环节中开绕组电机的等效电路模型包括d轴电压方程、q
轴电压方程和零序电压方程，其中零序电压方程中包括三次谐波磁链产生的零序反电动势；开绕组电机的转矩方程包括由零序电流和三次谐波反电动势造成的转矩脉动。
[0029]
进一步地，所述电流控制环节包括：三相差模电流控制子环节，用于将三相差模环流的dq0分量与dq0坐标系下的参考电流对应作差，d轴和q轴分量的差值经过pi控制器进行运算，0轴分量的差值经过准谐振控制器进行运算，pi控制器和准谐振控制器运算的结果根据电机转子电角度变换回abc坐标下，得到三相差模参考电压；
[0030]
三相共模环流抑制环节，用于将三相共模输出电流分别与0进行作差，差值经pi控制器运算后，得到三相共模参考电压；
[0031]
占空比计算环节，用于接收三相差模参考电压和三相共模参考电压，计算并生成六路占空比信号，其计算公式为：
[0032][0033][0034]
其中，和分别为每一相的一号端口和二号端口对应的桥臂的占空比指令，是每一相的共模参考电压，是每一相的差模参考电压，v
dc
是直流母线电压。
[0035]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
[0036]
本发明提出的开绕组电机模拟器及其控制系统，能够正确的反映开绕组电机全部六个端口的特性，在传统的星接电机模拟的基础上，通过三组共直流母线的全桥拓扑来构成模拟器变换器，以端口差模电压作为每一相的输入，配合差模电流的闭环控制，完成了对零序特性的模拟，可以满足对开绕组电机驱动系统的测试需求，拓展了电机模拟器的应用范围。
[0037]
本发明通过在每一相分别配置单相共模抑制电抗器，实现对每一相两个支路上的高频共模电流的抑制；通过增加共模电流闭环控制并配合带共模电压的调制方法，实现每一相的低频共模电流的抑制。综合这两项技术手段，基本消除每一相两个支路上的共模电流，使得每一相两个支路上的电流等大反向，满足了电流连续原则，能够真实反映开绕组电机的特性。
[0038]
本发明提出的开绕组电机模拟器通过与电机驱动变频器共直流母线连接的拓扑结构，完成能量的回馈，节约了大量的电能，结构简单，成本更低，直流电源需要输出的功率小，提高模拟器的便捷性。本发明在能量回馈通路了中增加了零序抑制电抗器，抑制了能量回馈通路上的高频环流，基本消除了能量回馈通路对正常电流通路的影响，使得模拟更加精确。
附图说明
[0039]
图1是一种典型的开绕组电机及其驱动系统的拓扑结构图；
[0040]
图2是开绕组电机模拟器与被测试设备的连接电路图。
[0041]
图3为本发明实例提供的开绕组电机模拟器控制系统流程框图；
[0042]
图4为本发明实例提供的开绕组电机模拟器的电流控制环节的控制框图；
[0043]
1为直流供电电源，2为开绕组电机驱动变频器，3为电机驱动控制器，4为模拟器变换器，5为连接电感，6为单相共模抑制电抗器，7为零序抑制电抗器，8为直流稳压电容，9为模拟器控制系统。
具体实施方式
[0044]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0045]
图1为一种典型的开绕组电机及其驱动系统的拓扑结构图，三相开绕组电机共有六个电端口，分别对应的连接到其变频器的桥臂中点。三相开绕组电机运行时，电流从每一相的一个端口流入，从对应的另一个端口流出，每一相上的电流始终连续。本发明所提出的开绕组电机模拟器旨在用电力电子变换器替代图1中的三相开绕组电机，完成对开绕组电机驱动系统的测试。图1所示的开绕组电机驱动系统仅为一种典型的实例，任何一种具有六个交流输出端口的开绕组电机驱动变频器都可以作为本发明所提出的开绕组电机模拟器的测试对象。
[0046]
从绕组星接的交流电机拓展到开绕组电机模拟器面临如下几个问题：所模拟电机的端口数量翻倍，模拟器变换器结构需要相应进行拓展；开绕组电机具有零序电流的自由度，模拟器变换器的拓扑结构要能够满足零序电流的模拟；相电流连续原则，开绕组电机驱动系统的相电流总是从绕组的一个端口流向另一个端口，连接同一相绕组的两个驱动桥臂中点的电流等大反向，因此电机模拟器替换原电机时，也要满足电流的连续性。
[0047]
图2为本发明所提出的开绕组电机模拟器与被测试设备的连接电路图，图中包括：1.直流供电电源，2.开绕组电机驱动变频器，3.电机驱动控制器，4.模拟器变换器，5.连接电感，6.单相共模抑制电抗器，7.零序抑制电抗器，8.直流稳压电容，9.模拟器控制系统；其中，1-3作为被测试设备，4-9共同构成电机模拟器，对被测试设备进行测试。
[0048]
模拟器变换器的每一相分别连接两个连接电感和一个单相共模抑制电抗器，再与开绕组电机驱动变频器进行连接。模拟器变换器的直流侧并联一个直流稳压电容，然后通过零序抑制电抗器与开绕组电机驱动变频器的直流侧进行连接，直流供电电源直接连接在开绕组电机驱动变频器的直流侧；
[0049]
直流供电电源，用于对整个电机模拟器系统供电；
[0050]
开绕组电机驱动变频器，用于驱动所模拟的电机；
[0051]
电机驱动控制器，用于执行电机控制算法，以控制电机驱动变频器；
[0052]
模拟器变换器，用于根据模拟器控制系统的指令电压进行功率放大；
[0053]
连接电感，用于连接模拟器变换器和开绕组电机驱动变频器的各个桥臂中点；
[0054]
单相共模抑制电抗器，用于抑制每一相的高频共模电流；
[0055]
零序抑制电抗器，用于抑制由能量回馈通路引入的高频零序环流；
[0056]
直流稳压电容，用于稳定模拟器变换器的直流侧电压；
[0057]
模拟器控制系统，用于检测电机模拟器的六个端口的电压、电流信号，向电机驱动控制器发出转速和位置信息，执行电机模拟算法，并向模拟器变换器发出pwm脉冲。
[0058]
进一步地，所述开绕组电机驱动变频器是由电力电子器件构成，且包含六个交流输出端口的逆变器。
[0059]
进一步地，模拟器变换器由三相全桥逆变器构成，每一相逆变器的交流侧都需要连接一个单相共模抑制电抗器，每一相的两个桥臂上都分别连接一个所述的连接电感。三相全桥逆变器共直流母线连接，通过零序抑制电抗器连接到开绕组电机驱动变频器的直流侧，以实现能量的回馈。
[0060]
进一步地，单相共模抑制电抗器和零序抑制电抗器都是单相共模电感，优选地，该共模电感对外表现出较大的共模电抗和接近零的差模电抗。
[0061]
进一步地，模拟器控制系统包括：六路电压采样模块，六路电流采样模块，实时数字信号处理器和六路pwm模块；
[0062]
其中六路电压采样模块分别采集开绕组电机驱动变频器的六个端口相对于直流母线中点的电压；六路电流采样模块分别采集模拟器变换器六个交流侧端口上的电流；实时数字信号处理器用于对开绕组电机模型进行实时计算，执行电流控制算法，向pwm模块输出占空比指令；六路pwm模块用于接收实时数字处理器发出的占空比指令，调制并向模拟器发出12路pwm脉冲。
[0063]
图3为本发明提出的开绕组电机模拟器控制系统框图，其中包括采样计算环节、电机模型计算环节、电流控制环节和调制环节；在每个采样周期中，这四个环节顺次执行，以完成对开绕组电机模拟器的控制。
[0064]
采样计算环节，用于接收六路电压和六路电流信号的采样结果，接收电机模型计算环节中计算得到的电机转子电角度；根据采样得到的六路电压和六路电流信号计算每一相的共模电压，差模电压，共模输出电流和差模环流；根据电机转子电角度，将三相差模电压变换到dq0坐标系下，并传递给电机模型计算环节；根据电机转子电角度，将三相差模环流变换到dq0坐标系下，与三相共模电压、三相共模输出电流、dq0坐标系下的三相差模电压一起传递给电流控制环节。
[0065]
电机模型计算环节，用于接收采样计算环节所输出的三相差模电压的dq0分量，实时对开绕组电机的等效电路模型进行计算，生成dq0坐标系下的参考电流，并将参考电流传递给电流控制环节；根据参考电流和电机机械模型计算转子转速和电机转子电角度，将转子转速传递给电流控制环节，将电机转子电角度传递给电流控制环节和采样计算环节。
[0066]
电流控制环节，用于接收三相差模环流的dq0分量，dq0坐标系下的参考电流，dq0坐标系下的三相差模电压，电机转子电角度，转子转速，三相共模电压，三相共模输出电流，执行电流控制算法，并生成占空比指令，将占空比指令传递给调制环节。
[0067]
调制环节，用于接收占空比指令，与载波进行比较，生成pwm脉冲，传递给模拟器变换器。
[0068]
采样计算环节中，共模电压，差模电压，共模输出电流和差模环流的计算公式分别为：
[0069]
[0070]vdm,i
＝v
1,i-v
2,i
,(i＝a,b,c)
[0071]icm,i
＝i
1,i
+i
2,i
,(i＝a,b,c)
[0072][0073]
其中v
1,i
和v
2,i
分别是每一相两个端口上的电压，下标1表示一号端口，下标2表示二号端口，v
cm,i
是其共模电压，v
dm,i
是其差模电压；i
1,i
和i
2,i
分别是每一相两个支路上的电流，i
cm,i
是其共模输出电流，i
dm,i
是其差模环流。
[0074]
电机模型计算环节中，开绕组电机的等效电路模型包括d轴电压方程，q轴电压方程和零序电压方程，其中零序电压方程中包括三次谐波磁链产生的零序反电动势。开绕组电机的转矩方程包括由零序电流和三次谐波反电动势造成的转矩脉动。在本实施实例中，以三相永磁同步开绕组电机为例，其电机的等效电路模型为：
[0075][0076]
其中，rs是定子绕组电阻，ld和lq分别是d轴和q轴的电感，ωe是转子电角速度，是永磁磁链的基波分量，是永磁磁链中的三次谐波分量，ud、uq、u0分别是输入差模电压的dq0分量，id、iq、i0是待计算的参考电流的dq0分量。相应的其转矩方程为：
[0077][0078]
调制环节包括六路pwm调制，六路采用统一的载波，分别与对应的占空比指令进行比较，发出12路脉冲。
[0079]
图4是电流控制环节的控制框图，包括三相差模电流控制和三相共模环流抑制两部分。三相差模电流控制环节将三相差模环流的dq0分量与dq0坐标系下的参考电流对应作差，d轴和q轴分量的差值经过pi控制器进行运算，0轴分量的差值经过准谐振控制器进行运算，pi控制器和准谐振控制器运算的结果根据电机转子电角度变换回abc坐标下，作为三相差模参考电压；三相共模环流抑制环节将三相共模输出电流分别与0进行作差，差值经pi控制器运算后，其输出作为三相共模参考电压。根据三相差模参考电压和三相共模参考电压，共同生成占空比信号。其计算公式为：
[0080][0081][0082]
其中，和分别为每一相的一号端口和2号端口对应的桥臂的占空比指令，
是每一相的共模参考电压，是每一相的差模参考电压，v
dc
是直流母线电压。
[0083]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。