[发明专利]一种可切换绕组的永磁同步电机驱动系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机驱动系统，尤其涉及一种可切换绕组的永磁同步电机驱动系统。

背景技术

永磁同步电机驱动系统由于具有高效、高转矩/功率密度的突出优势，逐渐成为现代电力牵引系统如混合动力汽车、纯电动汽车驱动系统的重要发展方向之一。然而，对于电动汽车等电动载运工具，工作转速范围很宽，因此对驱动系统的调速范围要求高，最高转速与基速比达到甚至超过5:1。永磁同步电机存在制成后气隙磁场难以调节的固有问题，调速系统中随着转速的升高，定子绕组反电势随着转速线性增大，当转速增大到一定值时，将会超过供电逆变器的电压极限，此时逆变器将难以向电机三相绕组馈电。当转速超过基速以上，为了扩大永磁同步电机的转速范围，目前较为常用的方法是通过施加定子直轴去磁电流（弱磁电流），产生一个与永磁磁场方向相反的磁场，从而削弱气隙磁场，进而避免定子绕组反电势在转速进一步升高时超过逆变器的极限电压。针对这样的弱磁扩速方法，目前有比较多的技术方案。例如，专利CN103187919A公开了一种永磁同步电机弱磁调速的系统和方法，该方法避免了因转矩-电流系数变化造成的控制偏差。专利CN102651626A公开了一种永磁同步电机的弱磁控制方法，通过电机直轴电流调节器输出的直轴电压指令值和逆变器输出的最大电压值来计算得到电机交轴电压的指令值，保证在弱磁区间电机电压达到最大值，该种方法有利于解决弱磁控制中交直轴电流耦合而引起的系统控制效果不理想问题，并能提高电压利用率。。然而，由于弱磁电流形成的磁场回路一般需要穿过永磁体，因此大大增加了永磁体发生不可逆退磁的风险；同时，直轴电流对磁场的弱磁调节范围也随着电机转子结构的不同而有明显的差异。尽管不少学者和专家对永磁同步电机的转子结构进行了较为深入的研究和实践，获得了优化的弱磁扩速范围（1：3），但是仍然难以满足高性能电动汽车、家用电器等一些特殊场合的应用要求，往往以牺牲驱动系统功率/转矩密度为代价，或者增加了驱动逆变器的功率容量。

另外，尽管增加定子弱磁电流可以获取有益的效果，但运行在高速区定子绕组上弱磁电流较大，无功功率增大，机电能量转换效率相对减小。为此，电机领域专家提出了变换定子绕组结构，从而达到拓宽永磁同步电机转速范围的目的。专利CN101039095A从定子绕组结构出发提出了一种基于交流电流直接控制的永磁同步电机弱磁控制系统，其在永磁同步电机上有两套绕组：功率绕组和弱磁绕组，两套绕组各自外接逆变器，分别用来产生转矩和弱磁电流。此种发明的优势在于弱磁控制简单，可靠性高；然而，从本质上来说还是类似于上述增加弱磁电流Id实现扩速的方法，弱磁绕组的损耗也会使电机效率降低。另外一种比较可行的方案是采用绕组切换技术，将定子绕组分成若干部分，通过开关管在绕组连接方式之间切换工作模式，从而实现宽转速范围的运行。例如，专利101911473A公开了一种三相交流电动机的绕组切换装置，将该装置连接在定子绕组分离部位实现定子绕组不同部分工作切换，从而可以实现电机高速与低速之间的绕组切换,但是并没有给出绕组切换的有效控制方法。然而，由于不同绕组之间工作的切换，导致在切换过程中输出转矩有突变，势必会给整个调速系统的动态性能带来较大冲击。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种可切换绕组的永磁同步电机驱动系统，能够显著拓宽驱动系统工作转速范围，提高系统的运行效率和容错性能。

本发明的可切换绕组的永磁同步电机驱动系统，包括：定子三相电枢绕组端部打开的永磁同步电机、第一逆变器、第二逆变器、绕组开关变换装置和系统控制器；通过在每相绕组中设置中间抽头，所述永磁同步电机的定子三相电枢绕组被分为两套串联的绕组：第一三相绕组、第二三相绕组，这两套三相绕组分别与第一逆变器的输出端、第二逆变器的输出端连接；第一逆变器和第二逆变器的直流母线的高电位端分别连接有一个可控开关装置，可分别通过所述可控开关装置开通/关断第一逆变器、第二逆变器与直流电源的连接；绕组开关变换装置与所述中间抽头连接，可实现第一三相绕组和第二三相绕组串联工作，以及第一三相绕组/第二三相绕组单独工作，这两种绕组工作状态的切换；所述系统控制器分别与绕组开关变换装置、第一逆变器、第二逆变器、两个可控开关装置信号连接。

为了抑制绕组切换前后的转矩突变，使整个电机的转矩-转速曲线平缓过渡，本发明进一步采用以下技术方案：

系统控制器根据所述永磁同步电机的转速控制所述两个可控开关装置、第一逆变器、第二逆变器及绕组开关变换装置，具体如下：