一种共母线结构的开绕组永磁电机系统及其抑制零序电流的控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种共母线结构的开绕组永磁电机系统，该系统包括一台永磁同步电机、两台变流器、一直流电源即一台控制器；永磁同步电机为开绕组结构，变流器为电压源型三相全桥逆变器，两台变流器直流侧连接到同一直流电源。由于两台变流器直流侧直接相连，该结构存在三次电流回路，故本发明还公开了上述系统抑制零序电流的控制方法，其通过设计电压补偿器，对变流器电压给定进行修正，能够大幅度减小零序电流。本发明系统中两变流器共用同一直流源，结构简单，成本低，在零序电流得到良好的抑制下，运行性能和效率高。
【专利说明】一种共母线结构的开绕组永磁电机系统及其抑制零序电流的控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电机【技术领域】，具体涉及一种共母线结构的开绕组永磁电机系统及其抑制零序电流的控制方法。
【背景技术】
[0002]由于铝镍钴、铁氧体和钕铁硼等高磁能密度的永磁材料的出现，使永磁电机得到了空前的发展和壮大。同时，永磁电机摒弃了电刷、集电环等装置，不需要励磁绕组和励磁电源，大大减小了电机的损耗并且提高了电机的运行可靠性。永磁电机由于其高功率密度、高效率、结构简单及运行可靠等性能，已经广泛运用于航天、汽车、国防和发电等各个领域。
[0003]近年来，有人提出开绕组电机结构，即将传统的Y接绕组中性点解开，绕组两端各接一个变流器，通过对两个变流器的控制，可以实现三电平控制，提高了电机的电压等级，并且减小了电压调制的谐波含量。将开绕组结构运用于永磁电机，电机反电势依赖于永磁体结构，实际中永磁体旋转产生的反电势往往存在三次谐波。传统的开绕组永磁电机系统结构如图1所示，该结构下，两个变流器分别连接到两个隔离的直流电源，由于两直流电源隔离，系统中不存在零序电流回路，即使电压中存在三次谐波，也不会产生零序电流，但是由于系统需要两个隔离的直流源，增加了系统的复杂程度和成本。然而，两变流器共用同一直流电源时，对应的结构存在零序电流回路，又由于永磁电机中存在反电势三次谐波，故系统中会有零序电流流通，导致系统效率低下，轴承发热等问题。
[0004]基于以上考虑，为了抑制零序电流，有人提出了在三相回路上串电感来抑制三次及更高次谐波电流的大小，然而串入电感会增加系统硬件成本和复杂度，同时，也会增加系统的损耗和无功功率。也有人提出，使用电压空间矢量调制时，采用无共模电压的矢量进行调制，消除逆变器产生的零序电压，此方法适用于感应电机，然而针对于永磁电机，永磁体反电势中存在三次谐波得不到抑制，同时该方法只是基于开环控制，易受各种扰动影响，误差较大。
【发明内容】
[0005]针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种共母线结构的开绕组永磁电机系统及其抑制零序电流的控制方法，能够有效抑制共直流母线结构开绕组永磁电机的零序电流，结构简单，成本低，抗干扰能力强。
[0006]一种共母线结构的开绕组永磁电机系统，包括:一台开绕组永磁电机、两台变流器Jl?J2、一台直流源和一控制器；
[0007]所述的开绕组永磁电机的三相绕组一侧与变流器Jl的交流侧对应连接，另一侧与变流器J2的交流侧对应连接；两台变流器的直流侧共同连接所述的直流源；
[0008]所述的控制器用于采集三相绕组的端电压、相电流以及两台变流器直流侧公共的直流母线电压，进而根据这些信号通过控制策略构造出两组PWM信号以对两台变流器进行控制。
[0009]所述的直流源两端并联有母线电容。
[0010]上述开绕组永磁电机系统抑制零序电流的控制方法，包括如下步骤:
[0011](I)采集开绕组永磁电机三相绕组的端电压、相电流以及两台变流器直流侧公共的直流母线电压，进而通过测量或估算得到电机的转速和和转子位置角；
[0012](2)利用所述的转子位置角对相电流进行dq变换，得到相电流的d轴分量和q轴分量;
[0013](3)根据所述的转速以及相电流的d轴分量和q轴分量，计算出电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量；进而根据基于无功轴电流为零的矢量控制算法计算出电机的有功轴电压指令Uq和无功轴电压指令Ud ；
[0014](4)取相电流的平均值作为零序电流分量，进而根据所述的零序电流分量通过零序电压补偿算法确定电机的零轴电压指令Utl ；
[0015](5)通过对电机的零轴电压指令Utl、有功轴电压指令Uq和无功轴电压指令Ud进行分配，得到对应两台变流器的两套电压指令；进而对这两套电压指令进行Park反变换，并通过SPWM (正弦脉宽调制)技术构造得到两组PWM信号以分别对两台变流器进行控制。
[0016]所述的步骤(1)中采用反电势估测法或高频信号注入法估算电机的转速和和转子位置角。
[0017]所述的步骤(3)中根据以下算式计算电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量:
【权利要求】
1.一种共母线结构的开绕组永磁电机系统，包括一台开绕组永磁电机、两台变流器Jl~J2、一台直流源和一控制器；其特征在于: 所述的开绕组永磁电机的三相绕组一侧与变流器Jl的交流侧对应连接，另一侧与变流器J2的交流侧对应连接；两台变流器的直流侧共同连接所述的直流源； 所述的控制器用于采集三相绕组的端电压、相电流以及两台变流器直流侧公共的直流母线电压，进而根据这些信号通过控制策略构造出两组PWM信号以对两台变流器进行控制。
2.根据权利要求1所述的开绕组永磁电机系统，其特征在于:所述的直流源两端并联有母线电容。
3.—种如权利要求1或2所述的开绕组永磁电机系统抑制零序电流的控制方法，包括如下步骤: (1)采集开绕组永磁电机三相绕组的端电压、相电流以及两台变流器直流侧公共的直流母线电压，进而通过测量或估算得到电机的转速和和转子位置角； (2)利用所述的转子位置角对相电流进行dq变换，得到相电流的d轴分量和q轴分量； (3)根据所述的转速以及相电流的d轴分量和q轴分量，计算出电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量；进而根据基于无功轴电流为零的矢量控制算法计算出电机的有功轴电压指令Uq和无功轴电压指令Ud ； (4)取相电流的平均值作为零序电流分量，进而根据所述的零序电流分量通过零序电压补偿算法确定电机的零轴电压指令Utl ； (5)通过对电机的零轴电压指令Utl、有功轴电压指令Uq和无功轴电压指令Ud进行分配，得到对应两台变流器的两套电压指令；进而对这两套电压指令进行Park反变换，并通过SPWM技术构造得到两组PWM信号以分别对两台变流器进行控制。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于:所述的步骤(1)中采用反电势估测法或高频信号注入法估算电机的转速和和转子位置角。
5.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于:所述的步骤(3)中根据以下算式计算电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量:
6.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于:所述的步骤(3)中基于无功轴电流为零的矢量控制算法的具体实现方式如下: Al.使预设的目标输出功率减去所述的实际输出功率，得到功率误差； A2.对所述的功率误差进行PI调节得到有功轴电流指令，并令无功轴电流指令为零； A3.使无功轴电流指令和有功轴电流指令分别减去相电流的d轴分量和q轴分量，得到无功轴电流误差和有功轴电流误差； A4.分别对有功轴电流误差和无功轴电流误差进行PI调节得到有功轴电压误差和无功轴电压误差；使电机的有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量分别减去有功轴电压误差和无功轴电压误差，即得到电机的有功轴电压指令Uq和无功轴电压指令ud。
7.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于:所述的步骤(4)中零序电压补偿算法的具体实现方式如下: B1.对零序电流分量进行锁相得到零序电流分量的角速度，并对该角速度进行积分得到零序电流分量的相位Qtl; B2.使sin Θ ^乘以零序电流分量后经低通滤波得到零序电流的幅值Itl ;进而根据以下算式计算得到电机系统零序电流回路上等效电感的零轴电压指令:
【文档编号】H02P21/00GK103731079SQ201310733737
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月26日 优先权日:2013年12月26日
【发明者】年珩, 曾恒力, 周义杰 申请人:浙江大学