開繞組永磁同步電機串聯(lián)補償矢量控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種開繞組永磁同步電機串聯(lián)補償矢量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由直流電源，由直流電源供電的主變換器，開繞組永磁同步電機，由供電電容供電的補償變換器，置于供電電容兩端的電壓傳感器，置于開繞組永磁同步電機定子側(cè)的電流傳感器，置于開繞組永磁同步電機轉(zhuǎn)軸上的速度傳感器，對主變換器和補償變換器進行控制的控制器組成。本發(fā)明通過對串聯(lián)在開繞組永磁同步電機定子末端，由供電電容供電的補償變換器進行控制來等效改變定子繞組阻抗，使得主變換器的功率因數(shù)接近或達到1。通過對主變換器和補償變換器進行協(xié)同控制，改變有功功率和無功功率的分配，改善電機的性能，擴展永磁同步電機弱磁控制區(qū)，增大運行范圍。
【專利說明】開繞組永磁同步電機串聯(lián)補償矢量控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種永磁同步電機的控制系統(tǒng)，尤其涉及一種開繞組永磁同步電機的串聯(lián)補償矢量控制系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]永磁電機因其在效率、功率密度、體積及重量等方面所具有的獨特優(yōu)勢，已成為現(xiàn)代電力牽引系統(tǒng)中電機本體的優(yōu)選方案。但由于采用永磁體勵磁，永磁電機存在弱磁升速困難、運行范圍較窄的問題。為使其在電動汽車、電動艦船等電力牽引場合得到更好的應(yīng)用，常規(guī)方法是對電機本體設(shè)計進行改進，改進方案在一定程度上可達到調(diào)節(jié)電機磁場的目的，但同時也不同程度地導(dǎo)致了電機效率、功率密度的下降以及體積、成本的增加，降低了永磁電機原有的優(yōu)越性能。因此必須尋求一種既能保持永磁電機原有優(yōu)異性能，又能方便實現(xiàn)弱磁擴速運行的一種電機系統(tǒng)。
[0003]開繞組永磁同步電機的構(gòu)成無需改變永磁電機原有的電磁設(shè)計與機械結(jié)構(gòu)，僅需將常規(guī)Y接的定子繞組中點打開，兩端各串接一個變換器，而形成的一種雙變換器串聯(lián)的定子繞組雙端口供電的電機驅(qū)動系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。早期對開繞組電機系統(tǒng)的研究，主要是通過定子繞組兩端變換器串聯(lián)的方式來分擔系統(tǒng)功率，而獲得多電平的供電效果，以滿足大功率場合的應(yīng)用需求，通常兩變換器均由直流電源供電，控制方法也與常規(guī)單變換器驅(qū)動電機控制方法類似。近年也有對開繞組永磁電機系統(tǒng)中兩個串聯(lián)變換器的獨立目標控制以實現(xiàn)帶儲能裝置的混合動力汽車中主供電電源和儲能裝置之間能量的合理分配，以及在可再生能源發(fā)電和車載啟動/發(fā)電機中作為發(fā)電的應(yīng)用研究。
[0004]總體來說，如將開繞組永磁同步電機系統(tǒng)中兩個變換器視為一個整體，則兩串聯(lián)變換器功能相同，可提供多電平變換器的供電性能，可提高系統(tǒng)功率等級并提供硬件冗余；如獨立考慮兩個變換器，則兩個變換器可視為一個控制用的主變換器和一個協(xié)助控制用的補償變換器，可僅用一個電源對主變換器供電進行開繞組電機的驅(qū)動控制，而補償變換器連接電容作為主變換器驅(qū)動永磁同步電機系統(tǒng)的串聯(lián)補償裝置，為電機提供功率補償。通過對主變換器和補償變換器進行有效的協(xié)同控制，有效提升原有有限電源條件下的電機控制系統(tǒng)的運行范圍和運行性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對有限電源條件下常規(guī)永磁同步電機系統(tǒng)運行范圍較小，控制性能不夠高的問題，提供了一種開繞組永磁同步電機串聯(lián)補償矢量控制系統(tǒng)及控制方法，本發(fā)明實現(xiàn)了有限電源條件下永磁同步電機運行范圍和運行性能的提高。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種開繞組永磁同步電機串聯(lián)補償矢量控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由直流電源、主變換器、開繞組永磁同步電機、補償變換器、供電電容、定子電流傳感器、電容電壓傳感器、速度傳感器和控制器等組成；其中，開繞組永磁同步電機的定子繞組的首端通過主變換器與直流電壓源連接，為開繞組永磁同步電機供電，開繞組永磁同步電機的定子繞組的末端串接一個補償變換器，補償變換器與供電電容相連，由供電電容供電；定子電流傳感器安裝在開繞組永磁同步電機的定子繞組首端，速度傳感器固定在開繞組永磁同步電機的轉(zhuǎn)軸上；控制器分別與電流傳感器、速度傳感器、電容電壓傳感器、主變換器和補償變換器相連；電流傳感器和速度傳感器、電容電壓傳感器將檢測到的信號傳送給控制器，控制器根據(jù)接收的信號產(chǎn)生控制信號并輸出到主變換器和補償變換器的控制端，從而控制主變換器和補償變換器的開關(guān)狀態(tài)；通過對主變換器和輔助變換器的協(xié)同控制使開繞組永磁同步電機工作在功率因數(shù)為或者接近；通過對輔助變換器的控制改變開繞組永磁同步電機的阻抗特性以增大弱磁工作區(qū)，提高電機的運行范圍。
[0007]一種應(yīng)用上述系統(tǒng)的開繞組永磁同步電機串聯(lián)補償矢量控制方法，包括如下步驟:
[0008]( I)采集電壓信號、電流信號和轉(zhuǎn)速信號:利用電流傳感器采集永磁同步電機的三相定子電流信號ia，ib，i。，利用電壓傳感器采集補償變換器的直流母線電壓，即供電電容的反饋電壓1。2。利用速度傳感器得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ω -
[0009](2)電流變換，計算電流矢量以及超前α軸的夾角Θ 1:將步驟I采集到的
三相定子電流信號ia，ib，i。通過控制器的電流反饋模塊得到兩相dq坐標系中d軸電流分量id、q軸電流分量以及電流矢量超前α軸的夾角Θ iD
[0010]三相/兩相坐標變換為恒幅值變換，由下式實現(xiàn):
【權(quán)利要求】
1.一種開繞組永磁同步電機串聯(lián)補償矢量控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)由直流電源(I)、主變換器(2)、開繞組永磁同步電機(3)、補償變換器(4)、供電電容(5)、定子電流傳感器(6)、電容電壓傳感器(25)、速度傳感器(7)和控制器(8)等組成；其中，開繞組永磁同步電機(3 )的定子繞組的首端通過主變換器(2 )與直流電壓源(I)連接，為開繞組永磁同步電機(3)供電，開繞組永磁同步電機(3)的定子繞組的末端串接一個補償變換器(4)，補償變換器(4)與供電電容(5)相連，由供電電容(5)供電；定子電流傳感器(6)安裝在開繞組永磁同步電機(3)的定子繞組首端，速度傳感器(7)固定在開繞組永磁同步電機(3)的轉(zhuǎn)軸上；控制器(8)分別與電流傳感器(6)、速度傳感器(7)、電容電壓傳感器(25)、主變換器(2)和補償變換器(4)相連；電流傳感器(6)和速度傳感器(7)、電容電壓傳感器(25)將檢測到的信號傳送給控制器(8)，控制器(8)根據(jù)接收的信號產(chǎn)生控制信號并輸出到主變換器(2)和補償變換器(4)的控制端，從而控制主變換器(2)和補償變換器(4)的開關(guān)狀態(tài)；通過對主變換器(2)和輔助變換器(4)的協(xié)同控制使開繞組永磁同步電機(3)工作在功率因數(shù)為I或者接近I ;通過對輔助變換器(4)的控制改變開繞組永磁同步電機(3)的阻抗特性以增大弱磁工作區(qū)，提高電機的運行范圍。
2.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的開繞組永磁同步電機串聯(lián)補償矢量控制方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)采集電壓信號、電流信號和轉(zhuǎn)速信號:利用電流傳感器(6)采集永磁同步電機的三相定子電流信號ia，ib，i。，利用電壓傳感器(25)采集補償變換器(4)的直流母線電壓，即供電電容(5)的反饋電壓Vdc;2。利用速度傳感器(7)得到轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ω- (2)電流變換，計算電流矢量f以及 超前α軸的夾角Θ1:將步驟I采集到的三相定子電流信號ia，ib，i。通過控制器(8)的電流反饋模塊(24)得到兩相dq坐標系中d軸電流分量id、Q軸電流分量以及電流矢量超前α軸的夾角Θ i。 三相/兩相坐標變換為恒幅值變換，由下式實現(xiàn):
【文檔編號】H02P21/14GK103780191SQ201410033409
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】孫丹, 周文志, 林斌 申請人:浙江大學(xué)