基于y-△變換擴大交流電動機恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速范圍的系統(tǒng)與方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及交流電機恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍領域，特別是一種基于Y- Λ變換擴大交流 電動機恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速范圍的系統(tǒng)與方法。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)有交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)在基頻（50ΗΖ)以下的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍受到電機額 定電壓的強力制約，當電壓隨轉(zhuǎn)速（或頻率）升到額定電壓仏時，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速即達到極限， 盡管之后仍可以繼續(xù)提升輸出頻率以提升轉(zhuǎn)速，但轉(zhuǎn)矩將隨著轉(zhuǎn)速升高而下降，屬于恒功 率性質(zhì)的調(diào)速，不能滿足高速（基頻以上）情況下仍保持恒轉(zhuǎn)矩輸出的驅(qū)動要求。例如，電 動汽車、高速列車所受到的空氣阻力隨運行速度的平方遞增，當運行速度升到某一數(shù)值時， 空氣阻力將占全部運行阻力的主要部分。因此，擴大交流電機的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍，使高速條 件下仍具有大的輸出轉(zhuǎn)矩，對于實現(xiàn)重載下的高速運行具有重要意義。
[0003] 目前為擴大交流電機恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍主要采取提升電機額定電壓的辦法，由此涉 及到電源電壓、功率半導體器件耐壓等級也應作相應的提升。然而，提升功率半導體器件耐 壓面臨多種因素制約，除制造技術外，使用中過高的du/dt將對功率半導體器件本身及電 機絕緣帶來不利影響。目前國內(nèi)外采用三電平逆變技術解決這一矛盾，可使每個功率半導 體器件的耐壓值減半，有效降低器件的du/dt，并帶來改善輸出電壓波形質(zhì)量的好處。但又 伴生出中性點電位波動的問題。隨著逆變輸出電壓與電流增大，或在功率因數(shù)較低情況下， 中性點電位波動加劇，甚至引起低頻震蕩，致使逆變性能惡化。此外，功率半導體器件使用 數(shù)量隨之增加一倍，且電平數(shù)越多，所需的器件數(shù)就越多，伴隨而來的控制愈加復雜，可靠 性成為問題。
[0004] 采用單元串聯(lián)式多電平逆變技術也是另一行之有效的方法。該方法具有諧波污染 小、輸入功率因數(shù)高、輸出波形好、du/dt低的優(yōu)點，但同樣存在串聯(lián)單元數(shù)多，控制復雜的 缺點，并且每個串聯(lián)單元須由一個獨立的、相位錯開一定角度的變壓器二次繞組供電，所需 二次側(cè)繞組數(shù)量與串聯(lián)單元數(shù)等同，且繞組聯(lián)結(jié)復雜，使該附加變壓器又額外占用很大成 本與空間。
[0005] 直接減少電機繞組匝數(shù)也可視為擴大恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍的一個途徑，但是該方法勢 必讓低速運行時的PWM處于極度深調(diào)狀態(tài)，即要求更多地降低調(diào)制度M值，導致總諧波失真 THD增大、死區(qū)效應更加突出的負面效應，嚴重削弱低速性能。
[0006] 還有些文獻采用了變極與變頻相結(jié)合的辦法擴大電機恒功率的調(diào)速范圍，但恒轉(zhuǎn) 矩調(diào)速范圍依舊不變。該方法僅適用于轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速反比下降的負載類型。在控制上須采用 兩套逆變電源分別對電機兩套三相繞組即六相繞組供電，使功率半導體器件數(shù)增加一倍， 此外，為使兩套繞組的電流處于良好的平衡狀態(tài)所采取的控制也較為復雜。
[0007] 綜上所述，現(xiàn)有提升電機額定電壓的辦法的主要缺點是加重了對半導體功率器 件的壓力，必須通過增加器件數(shù)量的途徑求得化解，但由此加重了系統(tǒng)成本與控制的復雜 性，對運行可靠性極為不利。因此，擴大恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍的課題仍面臨許多工作要做。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是提出一種基于Y- Λ變換擴大交流電動機恒轉(zhuǎn)矩變頻 調(diào)速范圍的系統(tǒng)與方法，實現(xiàn)在不提升電源電壓，不增加逆變電路半導體開關器件數(shù)量的 條件下擴大電機恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍的目的。
[0009] 本發(fā)明的裝置采用以下方案實現(xiàn)：一種基于Y- Λ變換擴大交流電動機恒轉(zhuǎn)矩變 頻調(diào)速范圍的系統(tǒng)，包括一三相整流模塊、一三相逆變模塊、一 Y/Λ變換控制電路模塊、 一三相交流電動機、一速度傳感器以及一 DSP控制系統(tǒng)；所述的三相整流模塊的輸入端接 UVW三相交流電源，所述三相整流模塊的輸出端并接有一第一電容C1，所述三相逆變模塊 的輸入端并接在所述第一電容Cl的兩端，所述三相逆變模塊的輸出端連接至所述Y/ Λ變 換控制電路模塊的三相交流電輸入端，所述的Y/ Λ變換控制電路模塊連接有一所述的三 相交流電動機；所述的DSP控制系統(tǒng)包括驅(qū)動電路模塊、A/D模塊、I/O模塊以及QEP模塊， 所述的驅(qū)動電路模塊電性連接所述三相逆變模塊中的IGBT，用以控制所述IGBT的開通與 關斷；所述的A/D模塊電性連接所述三相逆變模塊的輸出端，用以采集電流信號；所述的1/ 〇模塊電性連接所述的Y/ Λ變換控制電路模塊，用以控制所述Y/ Λ變換控制電路模塊中 全控元器件的開通與關斷；所述的速度傳感器同軸連接所述的三相交流電動機并且電性連 接所述的QEP模塊，用以將所述三相交流電動機的速度反饋給DSP控制系統(tǒng)。
[0010] 進一步地，所述的Y/ Λ變換控制電路模塊包括三相交流電輸入端、第一開關Κ1、 第二開關Κ2、第三開關Κ3、第四開關Κ4、三相橋式不控整流電路、第一電阻Rl以及第二電 容C2 ;所述的Y/ Λ變換控制電路模塊與所述的三相交流電動機的三相繞組相連接，所述第 一開關Kl的一端連接至所述Y/ Λ變換控制電路模塊的三相交流電輸入端的W相輸入端以 及所述三相交流電動機的第三繞組的首端，所述第二開關Κ2的一端連接至所述Y/ Λ變換 控制電路模塊的三相交流電輸入端的U相輸入端以及所述三相交流電動機的第一繞組的 首端，所述第三開關Κ3的一端連接至所述Y/ Λ變換控制電路模塊的三相交流電輸入端的 V相輸入端以及所述三相交流電動機的第二繞組的首端；所述第一開關Kl的另一端與所述 三相交流電動機的第一繞組的末端相連，所述第二開關Κ2的另一端與所述三相交流電動 機的第二繞組的末端相連，所述第三開關Κ3的另一端與所述三相交流電動機的第三繞組 的末端相連；所述的三相橋式不控整流電路包括三個共陰極二極管VD1、VD3、VD5以及三個 共陽極二極管VD4、VD6、VD2,所述三個共陽極二極管VD4、VD6、VD2的陰極分別接至所述第 一開關Kl的另一端、第二開關K2的另一端、第三開關K3的另一端，所述三個共陰極二極管 VD1、VD3、VD5的陰極與所述第四開關K4的集電極相連，所述三個共陽極二極管VD4、VD6、 VD2的陽極與所述第四開關K4的發(fā)射極相連，所述第四開關K4的集電極與發(fā)射極間并接 有串聯(lián)的第一電阻Rl和第二電容C2。
[0011] 進一步地，所述的第一開關Kl包括兩個共陰二極管D1、D2,兩個共陽二極管D3、 D4,所述共陰二極管Dl、D2的陰極與第一電力晶體管Sl的集電極相連，所述兩個共陽二極 管D3、D4的陽極與第一電力晶體管Sl的發(fā)射極相連，所述第一電力晶體管Sl的集射間并 接有串聯(lián)的第二電阻R2以及第三電容C3,所述共陰二極管Dl、D2的陽極分別與所述共陽 二極管D3、D4的陰極相連，所述Dl的陽極作為第一開關Kl的一端，所述D2的陽極作為第 一開關Kl的另一端；所述的第二開關K2包括兩個共陰二極管D5、D6,兩個共陽二極管D7、 D8,所述共陰二極管D5、D6的陰極與第二電力晶體管S2的集電極相連，所述兩個共陽二極 管D7、D8的陽極與第二電力晶體管S2的發(fā)射極相連，所述第二電力晶體管S2的集射間并 接有串聯(lián)的第三電阻R3以及第四電容C4,所述共陰二極管D5、D6的陽極分別與所述共陽二 極管D7、D8的陰極相連，所述D5的陽極作為第二開關K2的一端，所述D6的陽極作為第二 開關K2的另一端；所述的第三開關K3包括兩個共陰二極管D9、D10,兩個共陽二極管D11、 D12,所述共陰二極管D9、DlO的陰極與第三電力晶體管S3的集電極相連，所述兩個共陽二 極管Dll、D12的陽極與第三電力晶體管S3的發(fā)射極相連，所述第三電力晶體管S3的集射 間并接有串聯(lián)的第四電阻R4以及第五電容C5,所述共陰二極管D9、D10的陽極分別與所述 共陽二極管D11、D12的陰極相連，所述D9的陽極作為第三開關K3的一端，所述DlO的陽極 作為第三開關K3的另一端。
[0012] 進一步地，所述的第一開關K1、第二開關K2、第三開關K3還可以均為反向并聯(lián)的 兩個相同支路，所述支路包括一電力晶體管以及一二極管，所述電力晶體管的發(fā)射極與所 述二極管的陽極相連，所述電力晶體管的集電極作為開關的一端，所述二極管的陰極作為 開關的另一端。
[0013] 進一步地，所述的第四開關K4為電力晶體管。
[0014] 進一步地，所述的第一開關K1、第二開關K2、第三開關K3以及第四開關K4還可以 均為低壓電器開關。
[0015] 本發(fā)明的方法采用以下方案實現(xiàn)：一種如上文所述的基于Y- Λ變換擴大交流電 動機恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速范圍的系統(tǒng)的方法，具體包括以下步驟：
[0016] 步驟Sl :定義變量Mym為繞組不