[发明专利]一种单边可控的共母线开绕组永磁电机系统及其零序电流的抑制方法

说明书

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种单边可控的共母线开绕组永磁电机系统及其零序电流的抑制方法。

背景技术

由于铝镍钴、铁氧体和钕铁硼等高磁能密度的永磁材料的出现，使永磁电机得到了空前的发展和壮大。同时，永磁电机摒弃了电刷、集电环等装置，不需要励磁绕组和励磁电源，大大减小了电机的损耗并且提高了电机的运行可靠性。永磁电机由于其高功率密度、高效率、结构简单及运行可靠等性能，已经广泛运用于航天、汽车、国防和发电等各个领域。

近年来，有人提出开绕组电机结构，即将传统的Y接绕组中性点解开，绕组两端各接一个变流器，通过对两个变流器的控制，可以实现三电平控制，提高了电机的电压等级，并且减小了电压调制的谐波含量。将开绕组结构运用于永磁电机，电机反电势依赖于永磁体结构，实际中永磁体旋转产生的反电势往往存在三次谐波。传统的开绕组永磁电机系统结构如图1所示，该结构下，两个变流器分别连接到两个隔离的直流电源，由于两直流电源隔离，系统中不存在零序电流回路，即使电压中存在三次谐波，也不会产生零序电流，但是由于系统需要两个隔离的直流源，增加了系统的复杂程度和成本。然而，两变流器共用同一直流电源时，对应的结构存在零序电流回路，又由于永磁电机中存在反电势三次谐波，故系统中会有零序电流流通，导致系统效率低下，轴承发热等问题。同时，系统采用两个全控变流器，由于全控电力电子器件价格昂贵的同时，容量相对于不控电力电子器件也要小很多，故而此结构成本较高且容量受限。

基于以上考虑，为了降低系统成本，增加系统容量的同时抑制零序电流，有人提出了在三相回路上串电感来抑制三次及更高次谐波电流的大小，然而串入电感会增加系统硬件成本和复杂度，同时，也会增加系统的损耗和无功功率。也有人提出，使用电压空间矢量调制时，采用无共模电压的矢量进行调制，消除逆变器产生的零序电压，此方法适用于感应电机，然而针对于永磁电机，永磁体反电势中存在三次谐波得不到抑制，同时该方法只是基于开环控制，易受各种扰动影响，误差较大。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种单边可控的共母线开绕组永磁电机系统及其零序电流的抑制方法，能够有效抑制共直流母线结构开绕组永磁电机的零序电流，结构简单，成本低，抗干扰能力强。

一种单边可控的共母线开绕组永磁电机系统，包括：一开绕组永磁电机、一直流源、一控制器和两台变流器J1～J2；

所述的开绕组永磁电机的三相定子绕组一侧与变流器J1的交流侧对应连接，另一侧与变流器J2的交流侧对应连接；

两台变流器J1～J2的直流侧共同连接所述的直流源；其中，变流器J1中的功率开关器件采用全控型功率开关管(如IGBT等)，变流器J2中的功率开关器件采用不控型功率开关管(如二极管)。

所述的控制器用于采集开绕组永磁电机的三相定子电压、三相定子电流以及公共的直流母线电压，进而根据这些信号通过控制策略构造出一组PWM信号以对变流器J1进行控制。

所述的直流源两端并联有母线电容。

上述共母线开绕组永磁电机系统零序电流的抑制方法，包括如下步骤：

（1）采集电机的三相定子电压、三相定子电流以及两台变流器公共的直流母线电压，进而通过测量或估算得到电机的转速和转子位置角；

（2）利用所述的转子位置角对三相定子电流进行dq变换(同步旋转坐标变换)，得到三相定子电流的d轴分量和q轴分量；

（3）根据所述的转速以及三相定子电流的d轴分量和q轴分量，计算出电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量和无功轴电压补偿量；进而根据基于无功轴电流为零的矢量控制算法计算出电机的有功轴电压指令u_q和无功轴电压指令u_d；

（4）根据所述的三相定子电流确定变流器J2交流侧的三相电压，并对该三相电压进行dq变换，得到该三相电压的d轴分量u_d2和q轴分量u_q2；

（5）使电机的有功轴电压指令u_q和无功轴电压指令u_d对应与q轴分量u_q2和d轴分量u_d2相加，得到变流器J1的有功轴电压指令u_q1和无功轴电压指令u_d1；

（6）取三相定子电流的平均值作为零序电流分量，对所述的零序电流分量进行比例谐振控制以确定变流器J1的零轴电压指令u₀₁；