一种复用励磁绕组的三相交流调速系统

1.本技术涉及电机控制领域，尤其是一种复用励磁绕组的三相交流调速系统。


背景技术：

2.在三相交流调速系统中，目前已得到广泛应用的变换器主要是背靠背电压型pwm变换器和背靠背电流型pwm变换器。背靠背电压型/电流型双pwm变换器通过母线电容或电感将整流级与逆变级进行解耦，控制算法成熟。但是双pwm变换器的母线电容或电感显著增加了系统的重量和体积，在某些特殊环境下(如高温)电解电容的寿命将大幅缩短。矩阵变换器是一种无需大容量储能元件的直接ac-ac功率变换器，同样具有能量双向流动和正弦化输入输出的优点。传统的矩阵变换器大体有直接矩阵变换器(dmc)和间接矩阵变换器(imc)两种，但是需要同时对电压和电流进行pwm调制，控制算法复杂，且需要箝位电路。因此，有研究人员提出三次谐波注入矩阵式变换器(3tsmc)，3tsmc的优势在于整流级(输入电压选择器)均为低频开关，几乎没有开关损耗，通过谐波注入电路向电源侧注入电流获得正弦输入电流。在不需要能量双向流通的场合，可以使用二极管代替整流桥中的全控器件，从而进一步降低系统成本与控制复杂度。但是3tsmc的谐波注入电感在一定程度上增加了系统的体积与重量。
3.在电机方面，在三相交流调速系统中得到广泛应用的是异步电机、永磁同步电机以及电励磁同步电机。由于矢量控制技术已经十分成熟，上述三种电机均具有良好的调速性能。其中，异步电机在低速时效率较低，功率因数不高；永磁同步电机功率/转矩密度高，但是稀土永磁材料成本较高，在恶略环境下还可能存在退磁问题。因此电励磁电机仍然是重要发展方向之一，电励磁同步电机多用于大型系统中，但是电励磁电机需要三相可控整流器为励磁绕组提供励磁电流，转子上的励磁绕组需要通过滑环引出，这限制了电励磁电机的广泛应用。双凸极电机是在传统磁阻类电机基础上提出的一种新型结构电机，该电机是在开关磁阻电机的定子上增加了一套励磁绕组，使其与无刷直流电机较为接近。其结构简单，具有较好的应用前景。但是双凸极电机作为磁阻类电机的一种，存在固有的缺陷——转矩脉动较大，同时需要额外的励磁电源，这些缺点成为其在高性能驱动、伺服领域应用的最大障碍。


技术实现要素：

4.本技术人针对上述问题及技术需求，提出了一种复用励磁绕组的三相交流调速系统，本技术的技术方案如下：
5.一种复用励磁绕组的三相交流调速系统，在该三相交流调速系统中，输入电压选择器的输入端通过滤波电路连接三相交流电源，输入电压选择器通过第一输出端输出u
x
、通过第二输出端输出uy、通过第三输出端输出uz，且u
x
》uy》uz；
6.三相桥式逆变器的母线的正负极分别连接输入电压选择器的第一输出端和第三输出端，三相桥式逆变器的三相桥臂的中点分别连接正弦化电励磁双凸极电机的三相电枢
绕组；
7.谐波注入励磁电路的母线的正负极分别连接输入电压选择器的第一输出端和第三输出端，谐波注入励磁电路的两个桥臂的中点分别通过谐波注入开关管s
yp
、s
yn
连接输入电压选择器的第二输出端，谐波注入励磁电路的两个桥臂的中点还分别连接正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组的两端；
8.控制电路连接并控制谐波注入励磁电路向输入电压选择器注入三次谐波电流从而获得正弦波形的输入电流，以及为正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组提供励磁电流。
9.其进一步的技术方案为，谐波注入励磁电路包括非对称h桥和两个谐波注入开关管s
yp
、s
yn
，非对称h桥的第一桥臂包括电压控制开关管s
kp
和二极管d
kp
，非对称h桥的第二桥臂包括电压控制开关管s
kn
和二极管d
kn
，电压控制开关管s
kp
的集电极以及二极管d
kn
的阴极均连接非对称h桥的母线的正极，电压控制开关管s
kp
的发射极连接二极管d
kp
的阴极，二极管d
kn
的阳极连接电压控制开关管s
kn
的集电极，电压控制开关管s
kn
的发射极和二极管d
kp
的阳极均连接非对称h桥的母线的负极；非对称h桥的母线的正极连接输入电压选择器的第一输出端，非对称h桥的母线的负极连接输入电压选择器的第三输出端；
10.非对称h桥的第一桥臂的中点连接谐波注入开关管s
yn
的发射极，谐波注入开关管s
yn
的集电极连接输入电压选择器的第二输出端，非对称h桥的第二桥臂的中点连接谐波注入开关管s
yp
的集电极，谐波注入开关管s
yp
的发射极连接输入电压选择器的第二输出端；
11.非对称h桥的第一桥臂的中点还连接正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组的电流输入端，非对称h桥的第二桥臂的中点还连接正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组的电流输出端。
12.其进一步的技术方案为，谐波注入励磁电路中的谐波注入开关管为具有反压截止能力的开关管。
13.其进一步的技术方案为，谐波注入励磁电路中的谐波注入开关管不具有反压截止能力，则非对称h桥的第一桥臂的中点连接谐波注入开关管s
yn
的发射极，谐波注入开关管s
yn
的集电极连接反压截止二极管d
yn
的阴极，反压截止二极管d
yn
的阳极连接输入电压选择器的第二输出端；非对称h桥的第二桥臂的中点连接反压截止二极管d
yp
的阳极，反压截止二极管d
yp
的阴极连接谐波注入开关管s
yp
的集电极，谐波注入开关管s
yp
的发射极连接输入电压选择器的第二输出端。
14.其进一步的技术方案为，在一个开关周期内：
15.控制电路控制谐波注入开关管s
yp
导通、谐波注入开关管s
yn
关断以向输入电压选择器注入极性为正的三次谐波电流，谐波注入开关管s
yp
的导通时长对应的占空比是三次谐波电流的绝对值与励磁电流的比值；
16.控制电路控制谐波注入开关管s
yp
关断、谐波注入开关管s
yn
导通以向输入电压选择器注入极性为负的三次谐波电流，谐波注入开关管s
yn
的导通时长对应的占空比是三次谐波电流的绝对值与励磁电流的比值。
17.其进一步的技术方案为，当谐波注入开关管s
yp
导通、谐波注入开关管s
yn
关断时，控制开关管s
kp
的导通状态以调节正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组两端的电压，使得在谐波注入开关管s
yp
导通时间段内，正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组两端的电压的平均值为0；
18.当谐波注入开关管s
yp
关断、谐波注入开关管s
yn
导通时，控制开关管s
kn
的导通状态以调节正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组两端的电压，使得在谐波注入开关管s
yn
导通时间段内，正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组两端的电压的平均值为0。
19.其进一步的技术方案为，在一个开关周期内，当三次谐波电流注入完成后，控制电路控制谐波注入开关管s
yp
和谐波注入开关管s
yn
均关断，并通过控制电压控制开关管s
kp
和电压控制开关管s
kn
的导通状态以调节正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组的励磁电流跟踪励磁电流给定值。
20.其进一步的技术方案为，在稳态时，励磁电流给定值大于三次谐波电流的最大值；在动态过程中，励磁电流给定值为额定最大值或额定最小值。
21.其进一步的技术方案为，在稳态时，控制电路按照矢量控制方法得到不同的控制目标下的励磁电流的参考给定值，若最大的参考给定值大于当前的励磁电流给定值，则将励磁电流给定值更新为参考给定值。
22.其进一步的技术方案为，谐波注入励磁电路向输入电压选择器注入的三次谐波电流为：
[0023][0024]
其中，pm为正弦化电励磁双凸极电机的输入功率，pf为正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组消耗的功率，un为三相交流电源的相电压的幅值，θ为三相交流电源的相电压的相角。
[0025]
本技术的有益技术效果是：
[0026]
本技术公开了一种复用励磁绕组的三相交流调速系统，该三相交流调速系统基于三次谐波注入矩阵变换器与电励磁正弦化双凸极电机实现，正弦化双凸极电机既继承了传统双凸极电机结构简单、高可靠性的优点，同时转矩脉动低，可采用成熟的矢量控制方法来控制；谐波注入励磁电路在为电机励磁、调节励磁电流大小实现电机宽转速范围运行的同时，能够向输入电压选择器中注入三次谐波电流，使输入电流保持正弦，无需额外的励磁电源，三次谐波注入矩阵变换器中也无需额外的谐波注入电感，不仅提高了系统的集成度、减小了体积与重量，而且较大程度提升了系统的功率密度。
[0027]
另外，输入电压选择器中的开关管为低频开关，其开关频率为相电压的频率的两倍，因此输入电压选择器中几乎没有开关损耗，使得整个系统具有较低的开关损耗以及较高的可靠性。
附图说明
[0028]
图1是一个实施例中的三相交流调速系统的电路图。
[0029]
图2是一个实施例中的谐波注入励磁电路的电路图。
[0030]
图3是另一个实施例中的谐波注入励磁电路的电路图。
[0031]
图4是励磁电流和向输入侧注入的三次谐波电流随着相角θ的变化示意图。
[0032]
图5是一个实例中在正弦化电励磁双凸极电机的整个工作过程中的励磁电流随时间的电流仿真波形示意图。
[0033]
图6是一个实例中在正弦化电励磁双凸极电机的整个工作过程中的电机转速随时间的仿真波形示意图。
[0034]
图7是三相交流电源的三相电流i
sa
、i
sb
、i
sc
随时间的电流仿真波形示意图。
[0035]
图8是三相电枢绕组的电流iu、iv、iw随时间的电流仿真波形示意图。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图对本技术的具体实施方式做进一步说明。
[0037]
本技术公开了一种复用励磁绕组的三相交流调速系统，请参考图1，该三相交流调速系统中，输入电压选择器的输入端通过滤波电路连接三相交流电源，滤波电路和输入电压选择器都可以采用现有的电路结构实现，本技术对其结构不赘述。输入电压选择器对三相交流电源的三相电压ua、ub、uc中最大的一相电压连接至第一输出端x作为u
x
输出、将最小的一相电压连接至第三输出端z作为uz输出、将剩余的一相电压连接至第二输出端y作为uy输出，因此u
x
》uy》uz。输入电压选择器中的开关管均为低频开关，其开关频率为三相交流电源的相电压的频率的两倍，因此输入电压选择器中的几乎没有开关损耗。
[0038]
三相桥式逆变器的母线的正负极分别连接输入电压选择器的第一输出端x和第三输出端z，三相桥式逆变器的三相桥臂的中点分别连接正弦化电励磁双凸极电机的三相电枢绕组u、v、w。
[0039]
谐波注入励磁电路的母线的正负极分别连接输入电压选择器的第一输出端x和第三输出端z，谐波注入励磁电路的两个桥臂的中点分别通过谐波注入开关管s
yp
、s
yn
连接输入电压选择器的第二输出端y，谐波注入励磁电路的两个桥臂的中点还分别连接正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组f的两端。
[0040]
请参考图2所示的谐波注入励磁电路的电路图，谐波注入励磁电路包括非对称h桥和两个谐波注入开关管s
yp
、s
yn
。非对称h桥的第一桥臂包括电压控制开关管s
kp
和二极管d
kp
，非对称h桥的第二桥臂包括电压控制开关管s
kn
和二极管d
kn
，电压控制开关管s
kp
的集电极以及二极管d
kn
的阴极均连接非对称h桥的母线的正极，并连接输入电压选择器的第一输出端x。电压控制开关管s
kp
的发射极连接二极管d
kp
的阴极，二极管d
kn
的阳极连接电压控制开关管s
kn
的集电极。电压控制开关管s
kn
的发射极和二极管d
kp
的阳极均连接非对称h桥的母线的负极以连接输入电压选择器的第三输出端z。电压控制开关管s
kp
和s
kn
的两端分别连接有反并联二极管。
[0041]
在一个实施例中，如图2所示，谐波注入励磁电路中的谐波注入开关管s
yp
和s
yn
为具有反压截止能力的开关管，比如采用rb-igbt实现。则非对称h桥的第一桥臂的中点连接谐波注入开关管s
yn
的发射极，谐波注入开关管s
yn
的集电极连接输入电压选择器的第二输出端，非对称h桥的第二桥臂的中点连接谐波注入开关管s
yp
的集电极，谐波注入开关管s
yp
的发射极连接输入电压选择器的第二输出端。
[0042]
在另一个实施例中，谐波注入励磁电路中的谐波注入开关管不具有反压截止能力，比如使用普通的igbt或mosfet实现。则如图3所示，非对称h桥的第一桥臂的中点连接谐
波注入开关管s
yn
的发射极，谐波注入开关管s
yn
的集电极连接反压截止二极管d
yn
的阴极，反压截止二极管d
yn
的阳极连接输入电压选择器的第二输出端。非对称h桥的第二桥臂的中点连接反压截止二极管d
yp
的阳极，反压截止二极管d
yp
的阴极连接谐波注入开关管s
yp
的集电极，谐波注入开关管s
yp
的发射极连接输入电压选择器的第二输出端。
[0043]
非对称h桥的第一桥臂的中点还连接正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组f的电流输入端，非对称h桥的第二桥臂的中点还连接正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组f的电流输出端。图1和图2中的if的箭头方向表示励磁绕组f的励磁电流的电流方向。
[0044]
本技术的三相交流调速系统中使用正弦化电励磁双凸极电机，正弦化电励磁双凸极电机在传统方波双凸极电机的基础上，通过转子斜极、改善极弧系数等方法使电机反电势接近正弦波。正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组f的自感不随转子位置变化而变化，三相电枢绕组u、v、w的自感近似不变，三相电枢绕组u、v、w与励磁绕组f之间的互感与转子位置有关，随转子电角度正弦变化。正弦化电励磁双凸极电机既继承了传统双凸极电机结构简单、高可靠性的优点，同时转矩脉动低，可采用成熟的矢量控制方法。
[0045]
本技术的三相交流调速系统中还包括控制电路，控制电路用于控制其他电路中的各个开关管的导通状态，图1未示出控制电路。在工作过程中，控制电路采集正弦化电励磁双凸极电机的位置信号，结合三相桥式逆变器的母线电压，也即第一输出端x的u
x
与第三输出端z的uz之间的电压，按照传统的矢量控制方法，通过三相桥式逆变器对三相电枢绕组u、v、w的相绕组电流进行闭环控制，根据指令控制正弦化电励磁双凸极电机输出转矩。
[0046]
控制电路连接并控制谐波注入励磁电路向输入电压选择器注入三次谐波电流从而获得正弦波形的输入电流，以及为正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组提供励磁电流。
[0047]
其中，谐波注入励磁电路向输入电压选择器注入的三次谐波电流为：
[0048][0049]
其中，pm为正弦化电励磁双凸极电机的输入功率，pf为正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组消耗的功率，un为三相交流电源的相电压的幅值，θ为三相交流电源的相电压的相角。
[0050]
在一个开关周期内，谐波注入励磁电路的工作过程为：
[0051]
(1)当三次谐波电流i
y,ref
的极性为正时，控制电路控制谐波注入开关管s
yp
导通、谐波注入开关管s
yn
关断以向输入电压选择器注入极性为正的三次谐波电流，谐波注入开关管s
yp
的导通时长对应的占空比是三次谐波电流的绝对值与励磁电流的比值。
[0052]
当谐波注入开关管s
yp
导通、谐波注入开关管s
yn
关断时，控制电路控制电压控制开关管s
kp
的导通状态以调节正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组两端的电压，使得在谐波注入开关管s
yp
导通时间段内，正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组两端的电压的平均值为0。
[0053]
(2)当三次谐波电流i
y,ref
的极性为负时，控制电路控制谐波注入开关管s
yp
关断、谐波注入开关管s
yn
导通以向输入电压选择器注入极性为负的三次谐波电流，谐波注入开关
管s
yn
的导通时长对应的占空比是三次谐波电流的绝对值与励磁电流的比值。
[0054]
当谐波注入开关管s
yp
关断、谐波注入开关管s
yn
导通时，控制电路控制电压控制开关管s
kn
的导通状态以调节正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组两端的电压，使得在谐波注入开关管s
yn
导通时间段内，正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组两端的电压的平均值为0。
[0055]
(3)在一个开关周期内，当三次谐波电流注入完成后，控制电路控制谐波注入开关管s
yp
和谐波注入开关管s
yn
均关断，并通过控制电压控制开关管s
kp
和电压控制开关管s
kn
的导通状态以调节正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组的励磁电流if跟踪励磁电流给定值，可以利用pid控制器、通过调节s
kp
和s
kn
的导通时长来控制励磁电流if跟踪励磁电流给定值。
[0056]
随着三相交流电源的相电压的相角θ的变化，该正弦化电励磁双凸极电机的励磁绕组的励磁电流if以及谐波注入励磁电路向输入侧注入的三次谐波电流i
y,ref
的波形示意图如图4所示。
[0057]
其中，在稳态时，励磁电流给定值大于三次谐波电流的最大值。在动态过程中，励磁电流给定值为额定最大值或额定最小值以保证正弦化电励磁双凸极电机的动态性能。另外，在稳态时，控制电路还按照矢量控制方法得到不同的控制目标下的励磁电流的参考给定值，若最大的参考给定值大于当前的励磁电流给定值，则将励磁电流给定值更新为参考给定值；若所有参考给定值均不超过当前的励磁电流给定值，则仍然保留当前的励磁电流给定值。其中不同的控制目标包括最小铜损和/或单位功率因数。
[0058]
在一个仿真实例中，三相交流电源的相电压有效值为110v、相电压的频率为50hz，电机采用12/10正弦化电励磁双凸极电机，该正弦化电励磁双凸极电机的三相电枢绕组的自感为恒定值2.8mh，三相电枢绕组与励磁绕组之间的互感随电机转子位置的变化而变化，幅值为2.3mh，励磁绕组的自感为10mh。正弦化电励磁双凸极电机的给定转速为1500rpm，负载转矩为5nm，谐波注入励磁电路以及三相桥式逆变器中的开关管的开关频率为20khz。滤波电路中的滤波电感为500μh、滤波电容为6.8μf。
[0059]
在正弦化电励磁双凸极电机从起动到进入的整个稳定的过程中，励磁绕组的励磁电流if的仿真波形如图5所示，电机转速n的仿真波形如图6所示。起动过程中励磁绕组的励磁电流if跟踪励磁电流给定值稳定在额定最大值6a，以保证电机在起动时能够产生最大电磁转矩。起动过程结束后，系统按照最小铜损原则确定励磁电流给定值，此时的励磁电流给定值小于额定最大值6a但大于三次谐波电流的最大值，则励磁电流if下降并稳定为励磁电流给定值，进入稳态运行。在起动过程中，电机转速n上升，进入稳态后，转速平滑。
[0060]
三相交流电源的三相电流i
sa
、i
sb
、i
sc
的电流仿真波形如图7所示，三相电流i
sa
、i
sb
、i
sc
对称且保持正弦，随着电机转速升高，三相交流电源提供的电流也逐渐增加。正弦化电励磁双凸极电机的三相电枢绕组的电流iu、iv、iw的电流仿真波形如图8所示，三相电枢绕组的电流iu、iv、iw也为正弦电流。
[0061]
该实例验证本技术的三相交流调速系统能够在复用电机的励磁绕组的情况下，实现对励磁电流的控制并完成三次谐波电流注入的功能，从而既实现对电机正常的驱动、保证电机具有优良动态性能的同时使输入侧电流保持正弦。
[0062]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本技术不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本技术的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本技术的保护范围之内。