基于y-△变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及交流电机恒转矩调速范围领域，特别是一种基于Y- Λ变换扩大交流 电动机恒转矩变频调速范围的系统与方法。
【背景技术】
[0002] 现有交流电动机变频调速系统在基频（50ΗΖ)以下的恒转矩调速范围受到电机额 定电压的强力制约，当电压随转速（或频率）升到额定电压仏时，恒转矩调速即达到极限， 尽管之后仍可以继续提升输出频率以提升转速，但转矩将随着转速升高而下降，属于恒功 率性质的调速，不能满足高速（基频以上）情况下仍保持恒转矩输出的驱动要求。例如，电 动汽车、高速列车所受到的空气阻力随运行速度的平方递增，当运行速度升到某一数值时， 空气阻力将占全部运行阻力的主要部分。因此，扩大交流电机的恒转矩调速范围，使高速条 件下仍具有大的输出转矩，对于实现重载下的高速运行具有重要意义。
[0003] 目前为扩大交流电机恒转矩调速范围主要采取提升电机额定电压的办法，由此涉 及到电源电压、功率半导体器件耐压等级也应作相应的提升。然而，提升功率半导体器件耐 压面临多种因素制约，除制造技术外，使用中过高的du/dt将对功率半导体器件本身及电 机绝缘带来不利影响。目前国内外采用三电平逆变技术解决这一矛盾，可使每个功率半导 体器件的耐压值减半，有效降低器件的du/dt，并带来改善输出电压波形质量的好处。但又 伴生出中性点电位波动的问题。随着逆变输出电压与电流增大，或在功率因数较低情况下， 中性点电位波动加剧，甚至引起低频震荡，致使逆变性能恶化。此外，功率半导体器件使用 数量随之增加一倍，且电平数越多，所需的器件数就越多，伴随而来的控制愈加复杂，可靠 性成为问题。
[0004] 采用单元串联式多电平逆变技术也是另一行之有效的方法。该方法具有谐波污染 小、输入功率因数高、输出波形好、du/dt低的优点，但同样存在串联单元数多，控制复杂的 缺点，并且每个串联单元须由一个独立的、相位错开一定角度的变压器二次绕组供电，所需 二次侧绕组数量与串联单元数等同，且绕组联结复杂，使该附加变压器又额外占用很大成 本与空间。
[0005] 直接减少电机绕组匝数也可视为扩大恒转矩调速范围的一个途径，但是该方法势 必让低速运行时的PWM处于极度深调状态，即要求更多地降低调制度M值，导致总谐波失真 THD增大、死区效应更加突出的负面效应，严重削弱低速性能。
[0006] 还有些文献采用了变极与变频相结合的办法扩大电机恒功率的调速范围，但恒转 矩调速范围依旧不变。该方法仅适用于转矩随转速反比下降的负载类型。在控制上须采用 两套逆变电源分别对电机两套三相绕组即六相绕组供电，使功率半导体器件数增加一倍， 此外，为使两套绕组的电流处于良好的平衡状态所采取的控制也较为复杂。
[0007] 综上所述，现有提升电机额定电压的办法的主要缺点是加重了对半导体功率器 件的压力，必须通过增加器件数量的途径求得化解，但由此加重了系统成本与控制的复杂 性，对运行可靠性极为不利。因此，扩大恒转矩调速范围的课题仍面临许多工作要做。
【发明内容】
[0008] 有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于Y- Λ变换扩大交流电动机恒转矩变频 调速范围的系统与方法，实现在不提升电源电压，不增加逆变电路半导体开关器件数量的 条件下扩大电机恒转矩调速范围的目的。
[0009] 本发明的装置采用以下方案实现：一种基于Y- Λ变换扩大交流电动机恒转矩变 频调速范围的系统，包括一三相整流模块、一三相逆变模块、一 Y/Λ变换控制电路模块、 一三相交流电动机、一速度传感器以及一 DSP控制系统；所述的三相整流模块的输入端接 UVW三相交流电源，所述三相整流模块的输出端并接有一第一电容C1，所述三相逆变模块 的输入端并接在所述第一电容Cl的两端，所述三相逆变模块的输出端连接至所述Y/ Λ变 换控制电路模块的三相交流电输入端，所述的Y/ Λ变换控制电路模块连接有一所述的三 相交流电动机；所述的DSP控制系统包括驱动电路模块、A/D模块、I/O模块以及QEP模块， 所述的驱动电路模块电性连接所述三相逆变模块中的IGBT，用以控制所述IGBT的开通与 关断；所述的A/D模块电性连接所述三相逆变模块的输出端，用以采集电流信号；所述的1/ 〇模块电性连接所述的Y/ Λ变换控制电路模块，用以控制所述Y/ Λ变换控制电路模块中 全控元器件的开通与关断；所述的速度传感器同轴连接所述的三相交流电动机并且电性连 接所述的QEP模块，用以将所述三相交流电动机的速度反馈给DSP控制系统。
[0010] 进一步地，所述的Y/ Λ变换控制电路模块包括三相交流电输入端、第一开关Κ1、 第二开关Κ2、第三开关Κ3、第四开关Κ4、三相桥式不控整流电路、第一电阻Rl以及第二电 容C2 ;所述的Y/ Λ变换控制电路模块与所述的三相交流电动机的三相绕组相连接，所述第 一开关Kl的一端连接至所述Y/ Λ变换控制电路模块的三相交流电输入端的W相输入端以 及所述三相交流电动机的第三绕组的首端，所述第二开关Κ2的一端连接至所述Y/ Λ变换 控制电路模块的三相交流电输入端的U相输入端以及所述三相交流电动机的第一绕组的 首端，所述第三开关Κ3的一端连接至所述Y/ Λ变换控制电路模块的三相交流电输入端的 V相输入端以及所述三相交流电动机的第二绕组的首端；所述第一开关Kl的另一端与所述 三相交流电动机的第一绕组的末端相连，所述第二开关Κ2的另一端与所述三相交流电动 机的第二绕组的末端相连，所述第三开关Κ3的另一端与所述三相交流电动机的第三绕组 的末端相连；所述的三相桥式不控整流电路包括三个共阴极二极管VD1、VD3、VD5以及三个 共阳极二极管VD4、VD6、VD2,所述三个共阳极二极管VD4、VD6、VD2的阴极分别接至所述第 一开关Kl的另一端、第二开关K2的另一端、第三开关K3的另一端，所述三个共阴极二极管 VD1、VD3、VD5的阴极与所述第四开关K4的集电极相连，所述三个共阳极二极管VD4、VD6、 VD2的阳极与所述第四开关K4的发射极相连，所述第四开关K4的集电极与发射极间并接 有串联的第一电阻Rl和第二电容C2。
[0011] 进一步地，所述的第一开关Kl包括两个共阴二极管D1、D2,两个共阳二极管D3、 D4,所述共阴二极管Dl、D2的阴极与第一电力晶体管Sl的集电极相连，所述两个共阳二极 管D3、D4的阳极与第一电力晶体管Sl的发射极相连，所述第一电力晶体管Sl的集射间并 接有串联的第二电阻R2以及第三电容C3,所述共阴二极管Dl、D2的阳极分别与所述共阳 二极管D3、D4的阴极相连，所述Dl的阳极作为第一开关Kl的一端，所述D2的阳极作为第 一开关Kl的另一端；所述的第二开关K2包括两个共阴二极管D5、D6,两个共阳二极管D7、 D8,所述共阴二极管D5、D6的阴极与第二电力晶体管S2的集电极相连，所述两个共阳二极 管D7、D8的阳极与第二电力晶体管S2的发射极相连，所述第二电力晶体管S2的集射间并 接有串联的第三电阻R3以及第四电容C4,所述共阴二极管D5、D6的阳极分别与所述共阳二 极管D7、D8的阴极相连，所述D5的阳极作为第二开关K2的一端，所述D6的阳极作为第二 开关K2的另一端；所述的第三开关K3包括两个共阴二极管D9、D10,两个共阳二极管D11、 D12,所述共阴二极管D9、DlO的阴极与第三电力晶体管S3的集电极相连，所述两个共阳二 极管Dll、D12的阳极与第三电力晶体管S3的发射极相连，所述第三电力晶体管S3的集射 间并接有串联的第四电阻R4以及第五电容C5,所述共阴二极管D9、D10的阳极分别与所述 共阳二极管D11、D12的阴极相连，所述D9的阳极作为第三开关K3的一端，所述DlO的阳极 作为第三开关K3的另一端。
[0012] 进一步地，所述的第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3还可以均为反向并联的 两个相同支路，所述支路包括一电力晶体管以及一二极管，所述电力晶体管的发射极与所 述二极管的阳极相连，所述电力晶体管的集电极作为开关的一端，所述二极管的阴极作为 开关的另一端。
[0013] 进一步地，所述的第四开关K4为电力晶体管。
[0014] 进一步地，所述的第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3以及第四开关K4还可以 均为低压电器开关。
[0015] 本发明的方法采用以下方案实现：一种如上文所述的基于Y- Λ变换扩大交流电 动机恒转矩变频调速范围的系统的方法，具体包括以下步骤：
[0016] 步骤Sl :定义变量Mym为绕组不