一種開繞組永磁同步電機(jī)混合多電平逆變器及控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種開繞組永磁同步電機(jī)混合多電平逆 變器及控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 20世紀(jì)80年代，隨著電力系統(tǒng)對(duì)直流輸電、無(wú)功補(bǔ)償、電力有源濾波和高壓大 功率交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的需要，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，大功率設(shè)備的需求量越來(lái) 越多，很多設(shè)備甚至已經(jīng)到達(dá)兆瓦級(jí)。通常來(lái)說(shuō)采用兆瓦級(jí)功率驅(qū)動(dòng)的交流傳動(dòng)設(shè)備都 會(huì)連接到中等電壓網(wǎng)絡(luò)。然而，單一的功率半導(dǎo)體開關(guān)是不能直接連接到中級(jí)電壓網(wǎng)絡(luò) (2.3KV，3.3KV，4.16KV，6.9KV;1-50MW)中的。因此，不同類型的多電平變換器成為了電力 系統(tǒng)、交通系統(tǒng)及中高電壓大功率交流變頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)的解決方法。多電平變換器主要采用 器件箝位或輸出串聯(lián)等方式將低壓的功率開關(guān)器件連接在一起，利用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成 多個(gè)電壓電平，實(shí)現(xiàn)了高電壓、大功率輸出。
[0003] 近30年來(lái)，多電平變換器也在國(guó)內(nèi)外也成為研宄的熱點(diǎn)。開繞組電機(jī)混合多電平 逆變器只是將傳統(tǒng)的三相永磁同步電機(jī)的Y型定子繞組中點(diǎn)打開并引出電機(jī)的機(jī)體外，將 原來(lái)的三個(gè)繞組端子和引出電機(jī)的三個(gè)端子分別連接一個(gè)三相逆變器，從而構(gòu)成一種雙逆 變器串聯(lián)，定子繞組雙端口供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對(duì)開相繞組電機(jī)系統(tǒng)的研宄， 早期主要考慮利用這種結(jié)構(gòu)分擔(dān)系統(tǒng)功率，從而獲得多電平的供電效果，這樣可以滿足高 電壓和大功率場(chǎng)合的應(yīng)用需求。近年來(lái)，開繞組電機(jī)混合多電平逆變器受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界 的廣泛關(guān)注，是多電平變換器研宄領(lǐng)域內(nèi)研宄的熱點(diǎn)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種定子繞組輸出相電壓的 電平數(shù)多，各個(gè)開關(guān)的工作頻率和輸出電壓的諧波頻率有效降低，能夠減小逆變器的容量， 系統(tǒng)控制靈活，弱磁輸出功率大，擴(kuò)展方便的開繞組永磁同步電機(jī)混合多電平逆變器及控 制系統(tǒng)。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明開繞組永磁同步電機(jī)混合多電平逆變器采用的技術(shù)方 案為：包括與分壓后的不同電平直流母線相接的四電平中點(diǎn)鉗位逆變器以及三電平中點(diǎn)鉗 位逆變器，四電平中點(diǎn)鉗位逆變器與三電平中點(diǎn)鉗位逆變器連接三相開繞組永磁同步電機(jī) 的定子繞組端口；所述的四電平中點(diǎn)鉗位逆變器與三電平中點(diǎn)鉗位逆變器均包括三個(gè)相同 的功率開關(guān)橋臂，每個(gè)功率開關(guān)橋臂由若干個(gè)功率開關(guān)和功率二極管組成，三相開繞組永 磁同步電機(jī)的六個(gè)定子繞組端口分別與六個(gè)功率開關(guān)橋臂連接。
[0006] 所述的直流母線通過(guò)電容分壓為2Vde、4/3Vd。、Vde、2/3Vd。和0五個(gè)電平，四電平中 點(diǎn)鉗位逆變器連接21。、4/3￥(1。、2/3￥ (1。和0四個(gè)電平，三電平中點(diǎn)鉗位逆變器連接2￥(1。、1。 和0三個(gè)電平。
[0007] 所述的四電平中點(diǎn)鉗位逆變器的每個(gè)功率開關(guān)橋臂由六個(gè)功率開關(guān)和四個(gè)功率 二極管組成，六個(gè)功率開關(guān)依次串聯(lián)，四個(gè)功率二極管兩個(gè)一組串聯(lián)后，與第一個(gè)和第四個(gè) 功率開關(guān)的輸出端以及第二個(gè)和第五個(gè)功率開關(guān)的輸出端連接；三電平中點(diǎn)鉗位逆變器的 每個(gè)功率開關(guān)橋臂由四個(gè)功率開關(guān)和兩個(gè)功率二極管組成，四個(gè)功率開關(guān)依次串聯(lián)，兩個(gè) 功率二極管串聯(lián)后，與第一個(gè)和第三個(gè)功率開關(guān)的輸出端連接。
[0008] 所述的四電平中點(diǎn)鉗位逆變器依次串聯(lián)的六個(gè)功率開關(guān)首尾端連接2Vd。和0電平 直流母線；串聯(lián)設(shè)置在第一個(gè)和第四個(gè)功率開關(guān)輸出端之間的功率二極管外接4/3Vd。電平 直流母線，且接入點(diǎn)在兩個(gè)功率二極管之間；串聯(lián)設(shè)置在第二個(gè)和第五個(gè)功率開關(guān)輸出端 之間的功率二極管外接2/3Vd。電平直流母線，且接入點(diǎn)在兩個(gè)功率二極管之間。
[0009] 所述的三電平中點(diǎn)鉗位逆變器依次串聯(lián)的四個(gè)功率開關(guān)首尾端連接2Vd。和0電平 直流母線；串聯(lián)設(shè)置在第一個(gè)和第三個(gè)功率開關(guān)輸出端之間的功率二極管外接Vd。電平直 流母線，且接入點(diǎn)在兩個(gè)功率二極管之間。
[0010] 本發(fā)明開繞組永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)采用的技術(shù)方案為：包括經(jīng)過(guò)調(diào)壓整流電路 與交流電網(wǎng)相連的混合多電平逆變器，所述的混合多電平逆變器包括多個(gè)不同電平的逆變 器，且多個(gè)逆變器均連接三相開繞組永磁同步電機(jī)的定子繞組端口，混合多電平逆變器與 三相開繞組永磁同步電機(jī)連接控制器，控制器包括矢量控制數(shù)學(xué)計(jì)算模塊與矢量控制邏輯 合成模塊，控制器檢測(cè)計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及定子電流，并向混合多電平逆變器 輸出調(diào)制控制信號(hào)。
[0011] 所述的調(diào)壓整流電路包括依次設(shè)置在交流電網(wǎng)與混合多電平逆變器之間的若干 個(gè)：用于將交流市電轉(zhuǎn)換為混合多電平逆變器所需幅值交流電的變壓器；用于將交流電轉(zhuǎn) 換為混合多電平逆變器所需直流電的二極管整流橋以及電容。
[0012] 所述的混合多電平逆變器包括四電平中點(diǎn)鉗位逆變器以及三電平中點(diǎn)鉗位逆變 器，四電平中點(diǎn)鉗位逆變器與三電平中點(diǎn)鉗位逆變器均包括三個(gè)相同的功率開關(guān)橋臂，三 相開繞組永磁同步電機(jī)的六個(gè)定子繞組端口分別與六個(gè)功率開關(guān)橋臂連接。
[0013] 所述的矢量控制數(shù)學(xué)計(jì)算模塊采用DSP模塊，DSP模塊通過(guò)PI調(diào)節(jié)檢測(cè)計(jì)算出電 機(jī)的轉(zhuǎn)子位置，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及定子電流，矢量控制邏輯合成模塊采用FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊生 成PWM波驅(qū)動(dòng)混合多電平逆變器工作。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明開繞組永磁同步電機(jī)混合多電平逆變器具有如下的有益 效果：
[0015] 1、本發(fā)明三相開繞組永磁同步電機(jī)一端連接到四電平中點(diǎn)鉗位逆變器，另一端連 接到三電平中點(diǎn)鉗位逆變器，在兩個(gè)逆變器的共同作用下，能夠在定子繞組輸出更多電平 數(shù)的相電壓；同時(shí)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的逆變器能夠有效降低各個(gè)開關(guān)的工作頻率，減小逆變器輸 出電壓的諧波頻率。
[0016] 2、本發(fā)明三相開繞組永磁同步電機(jī)的兩端都能夠輸入功率，逆變器的直流供電電 壓是單逆變器的兩倍，因此每個(gè)逆變器的容量?jī)H是單逆變器的一半。
[0017] 3、本發(fā)明三相開繞組永磁同步電機(jī)每相定子電流都能夠由逆變器獨(dú)立控制，增加 了系統(tǒng)控制的靈活性。
[0018] 4、本發(fā)明三相開繞組永磁同步電機(jī)的損耗與常規(guī)繞組Y型連接的永磁同步電機(jī) 相同，無(wú)其他增加損耗。
[0019] 5、本發(fā)明在弱磁方式運(yùn)行下，電機(jī)能夠具有更大的輸出功率。
[0020] 6、本發(fā)明開繞組拓?fù)淠軌蜻M(jìn)一步擴(kuò)展到多相電機(jī)應(yīng)用中。
[0021] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明開繞組永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)采用的控制器，同時(shí)具有 矢量控制數(shù)學(xué)計(jì)算模塊與矢量控制邏輯合成模塊，通過(guò)輸入電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及定子電流參考 和實(shí)際的誤差值，輸出轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的實(shí)際直/交軸電流，再通過(guò)PWM波驅(qū)動(dòng)混合多電平逆 變器按照設(shè)定的控制策略工作，控制性能優(yōu)異。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1本發(fā)明開繞組永磁同步電機(jī)混合多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2本發(fā)明開繞組永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3本發(fā)明開繞組永磁同步電機(jī)混合多電平逆變器簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖4本發(fā)明逆變器輸出的合成空間電壓矢量分布二維分布圖；
[0026] 圖5本發(fā)明逆變器輸出的合成空間電壓矢量分布三維分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0028] 參見圖1，本發(fā)明開繞組永磁同步電機(jī)混合多電平逆變器主要由三部分組成：四 電平中點(diǎn)鉗位逆變器I、三電平中點(diǎn)鉗位逆變器II和三相開繞組永磁同步電機(jī)III。兩個(gè)逆 變器由三十個(gè)功率開關(guān)、十八個(gè)功率二極管和四個(gè)直流側(cè)分壓電容等構(gòu)成。其中，逆變器由 2Vdc、4/3Vd。、Vd。和2/3Vd。四個(gè)直流母線電壓經(jīng)過(guò)Cl、C2、C3、C4四個(gè)電容供電；開繞組永磁 同步電機(jī)III包含著三個(gè)定子繞組，每個(gè)繞組引出到電機(jī)本體外都有兩個(gè)端口。繞組A的端 口有a和a'，繞組B的端口有b和b'，繞組C的端口有c和c' ；四電平逆變器包含著三個(gè)相 同的功率開關(guān)橋臂，每個(gè)橋臂由六個(gè)功率開關(guān)和四個(gè)功率二極管構(gòu)成，功率開關(guān)分別為Sxl、 3!￡2、5!￡3、5 !￡4、\5、5!￡(^ = 1，2,3，功率二極管分別為0!￡1、0!￡2、0!￡3、0 !￡4，叉=1，2,3。其中，功率 二極管MPD^串聯(lián)到功率開關(guān)Sxl和Sx2之間和Sx4和Sx5之間，功率二極管Dx3和Dx4串聯(lián) 到功率開關(guān)Sx2和Sx3之間和Sx5和Sx6之間。功率二極管Dxl和Dx2之間連接到直流母線電 壓4/3Vd。處，功率二極管Dx3和Dx4之間連接到直流母線電壓2/3Vd。處。功率開關(guān)S13和S14 之間連接到電機(jī)端口a，功率開關(guān)S23和S24之間連接到電機(jī)端口b，功率開關(guān)S33和S34之間 連接到電機(jī)端口c;三電平逆變器包含著三個(gè)相同的功率開關(guān)橋臂，每個(gè)橋臂由四個(gè)功率 開關(guān)和兩個(gè)功率二極管構(gòu)成，功率開關(guān)分別為= 1，2, 3,功率二極管 分別為Dx，r、Dx，2,，x= 1，2, 3。其中，功率二極管Dx，i，和Dx，2，串聯(lián)到功率開關(guān)Sx，i，和Sx，2， 之間和Sx，3，和Sx，4，之間。功率二極管Dx，i，和Dx，2，之間連接到直流母線電壓Vd。處。功率 開關(guān)2，和Sp3，之間連接到