用於雙電機的逆變器拓撲結構的製作方法

2023-06-29 11:35:26

本發明涉及電機控制技術領域，具體地，涉及一種用於雙電機的逆變器拓撲結構。

背景技術：

近年來，在很多工業領域的應用中，例如：石油開採、電動/混合動力汽車、航空航天等，常常需要對多臺電機進行高性能的控制，單臺電機的逆變器拓撲已經不能滿足實際需求，雙電機的逆變器拓撲以及控制策略成為近年來研究的熱點，考慮到成本以及控制的效果，目前都是兩臺電機公用幾個開關管或是電容，然後對普通的SPWM或SVPWM進行相應的改進。

經過檢索發現：

史婷娜、張必軍、劉濤等在《中國電機工程學報》(2015,35(6):1498-1507)中發表的《五橋臂逆變器驅動的雙永磁同步電機系統佔空比優化調製策略[J]》，這篇論文提到了一種五橋臂拓撲，如圖1所示。這種拓撲共有五個橋臂，兩臺電機公用其中一個橋臂，這種拓撲因為公用一個橋臂所以不能使用普通的SPWM或SVPWM，需對SPWMM或SVPWM做出相應的改變，控制比較複雜。

Ledezma E,Munoz-Garcia A,Lipo T A.A dual three-phase drive system with a reduced switch count[J].1998,1:781-788vol.1，這篇論文提到了一種四橋臂的拓撲，如圖2所示。這種拓撲採用的是兩個傳統四開關逆變器公用直流母線電容的方式，這樣帶來的問題是單臺電機只能通過控制兩個橋臂來進行三個橋臂的控制，控制兩個橋臂顯然比控制三個橋臂要難且效果更差，且電容上的電流是由兩臺電機的公用相電流之和決定的所以電容上的電壓波動會比較大。

Gao F,Zhang L,Li D,et al.Optimal pulsewidth modulation of nine-switch inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(9):2331-2343，這篇論文提出了一種九開關拓撲，如圖3所示。這種拓撲次採用三個橋臂，每個橋臂上有三個開關管，兩個電機公用中間三個開關管Q2、Q5、Q8，電機1使用上面六個開關管Q1、Q4、Q7、Q2、Q5、Q8，電機2使用下面六個開關管Q2、Q5、Q8、Q3、Q6、Q9。這種拓撲帶來的問題是，當電機1工作時，下三開關管Q3、Q6、Q9必須全部導通，電機2就失控，相應電機2工作時上三開關管Q1、Q4、Q7必須全部開通，電機1就失控。總的來說，控制難度較高，難以獨立控制。

現有的雙電機的拓撲缺點是都需要公用開關管或者電容，所以使用傳統的SPWM或SVPWM電機是不能正常運行的，需要對SPWM或SVPWM做相應的更改，這樣的話控制難度變高，且控制效果不如使用傳統的SPWM或SVPWM。

經過檢索發現：專利申請號為201510032368.0，發明名稱為《雙電機驅動逆變器》的中國專利申請，提出了一種新的雙電機拓撲，如圖10所示。其中，第一電機的第一中心線與正母線連接，第一電機的三相分別連接三個開關管橋臂的中點，第二電機的第二中心線與負母線連接，第二電機的三相分別連接另外三個開關管橋臂的中點，每個開關管橋臂由一個電晶體和一個二極體組成，每個開關管管導通與否，決定了與該開關管橋臂相連的電機的相電壓，再利用各個開關管橋臂的佔空比，來控制電機的運轉。該專利申請提出的拓撲雖然所用的開關管數量只有6個，但是這種拓撲犧牲了兩臺電機運轉的獨立性，兩臺電機因為公用三個橋臂所以很難獨立運轉。

目前沒有發現同本發明類似技術的說明或報導，也尚未收集到國內外類似的資料。

技術實現要素：

本發明針對現有技術中存在的傳統的雙電機的逆變器拓撲兩臺電機通常公用開關管或者電容帶來的控制複雜、難以真正實現獨立控制等問題，提出了一種用於雙電機的逆變器拓撲結構，該拓撲結構真正實現了兩臺電機不共用開關管或電容，真正達到了兩臺電機的獨立控制，控制難度也大大減小。

為實現上述目的，本發明是通過以下技術方案實現的。

一種用於雙電機的逆變器拓撲結構，包括正母線、負母線、第一電容、第二電容、第一開關管橋臂、第二開關管橋臂、第三開關管橋臂、第四開關管橋臂以及第五開關管橋臂，所述第一開關管橋臂、第二開關管橋臂、第三開關管橋臂、第四開關管橋臂以及第五開關管橋臂連接於正母線、負母線之間，並且五個橋臂之間互為並聯關係；所述第一電容和第二電容串聯連接於正母線和負母線之間，所述第一電容和第二電容形成的串聯支路與五個橋臂之間形成並聯關係；

所述第一電容、第二電容、第一開關管橋臂和第二開關管橋臂構成三相四開關逆變器，所述第三開關管橋臂、第四開關管橋臂和第五開關管橋臂構成三相電壓型全橋逆變器；

雙電機中的第一電機的三相電源線分別與第一電容和第二電容的串聯支路、第一開關管橋臂、第二開關管橋臂相連，形成第一電機與三相四開關逆變器的控制連接；

雙電機中的第二電機三相電源線分別與第三開關管橋臂、第四開關管橋臂、第五開關管橋臂連接，形成第二電機與三相電壓型全橋逆變器控制連接。

優選地：

所述第一開關管橋臂，包括第一開關管和第二開關管，所述第一開關管和第二開關管串聯連接於正母線和負母線之間；

所述第二開關管橋臂，包括第三開關管和第四開關管，所述第三開關管和第四開關管串聯連接於正母線和負母線之間；

第一電機的三相電源線，分別連接在第一電容和第二電容之間、第一開關管和第二開關管之間、第三開關管和第四開關管之間。

優選地，所述第三開關管橋臂，包括第五開關管和第六開關管，所述第五開關管和第六開關管串聯連接於正母線和負母線之間；

所述第四開關管橋臂，包括第七開關管和第八開關管，所述第七開關管和第八開關管串聯連接於正母線和負母線之間；

所述第五開關管橋臂，包括第九開關管和第十開關管，所述第九開關管和第十開關管串聯連接於正母線和負母線之間；

第二電機的三相電源線，分別連接在第五開關管和第六開關管之間、第七開關管和第八開關管之間、第九開關管和第十開關管之間。

優選地，所述第一電容和第二電容分別為電解電容。

優選地，所述第一～第十開關管採用MOS管、IGBT(絕緣柵雙極型電晶體)或雙極性電晶體(bipolar transistor)。

本發明提供的用於雙電機的逆變器拓撲結構，採用兩個串聯電容以及五個開關管橋臂，可以看成第一電機由三相四開關逆變器控制，第二電機由三相電壓型全橋逆變器控制。

本發明提供的用於雙電機的逆變器拓撲結構，其拓撲結構看似和現有五橋臂拓撲結構一樣，其實有很大區別：在現有五橋臂拓撲結構中兩臺電機公用一個橋臂，而本發明中的拓撲結構兩臺電機並沒有共用一個橋臂，第一電機與三相四開關逆變器相連，第二電機與三相電壓型全橋逆變器相連，兩臺電機之間的控制不會相互影響，控制更加簡單並且效果更好，但是採用的開關數量卻和現有五橋臂拓撲結構的一樣，所以這種拓撲結構相比之前的雙電機拓撲是很大的改進。

具體在控制時，可以按照對普通三相四開關逆變器的控制對第一電機進行控制，按照對三相電壓型逆變器的控制對第二電機進行控制。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

本發明提供的用於雙電機的逆變器拓撲結構，可以真正實現獨立控制，控制更簡單，且控制效果更好。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為現有五橋臂主電路結構；

圖2為現有四橋臂主電路結構；

圖3為現有九開關主電路結構；

圖4為本發明提供的用於雙電機的逆變器拓撲結構示意圖；

圖5為本發明實施例中第一電機/第二電機的逆變側控制方法示意圖；

圖6為第一電機的轉速跟蹤波形；

圖7為第二電機的轉速跟蹤波形；

圖8為第一電機的轉矩跟蹤波形；

圖9為第二電機的轉矩跟蹤波形；

圖10為背景技術中雙電機驅動逆變器的拓撲結構示意圖。

具體實施方式

下面對本發明的實施例作詳細說明：本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。

實施例

本實施例提供了一種用於雙電機的逆變器拓撲結構，包括正母線、負母線、第一電容C1、第二電容C2、第一開關管橋臂、第二開關管橋臂、第三開關管橋臂、第四開關管橋臂以及第五開關管橋臂，所述第一開關管橋臂、第二開關管橋臂、第三開關管橋臂、第四開關管橋臂以及第五開關管橋臂連接與正母線、負母線之間，並且五個橋臂之間互為並聯關係；所述第一電容C1和第二電容C2串聯連接於正母線和負母線之間，兩電容形成的串聯支路與五個橋臂之間形成並聯關係；

雙電機中的第一電機分別與第一電容C1、第二電容C2、第一開關管橋臂和第二開關管橋臂相連，形成第一電機與三相四開關逆變器的控制連接，雙電機中的第二電機分別與第三開關管橋臂、第四開關管橋臂和第五開關管橋臂連接，形成第二電機與三相電壓型全橋逆變器控制連接。

其中：

第一電容C1和第二電容C2串聯連接於所述正母線和所述負母線之間；第一電機的a相電源線連接在第一電容C1和第二電容C2之間；

第一開關管橋臂，連接於所述正母線和所述負母線之間，主要由串聯連接的第一開關管Q1和第二開關管Q2組成；第一電機的b相電源線連接在第一開關管Q1和第二開關管Q2之間；

第二開關管橋臂，連接於所述正母線和所述負母線之間，主要由串聯連接的第三開關管Q3和第四開關管Q4組成；第一電機的c相電源線連接在第三開關管Q3和第四開關管Q4之間；

第三開關管橋臂，連接於所述正母線和所述負母線之間，主要由串聯連接的第五開關管Q5和第六開關管Q6組成；第二電機的a相電源線連接在第五開關管Q5和第六開關管Q6之間；

第四開關管橋臂，連接於所述正母線和所述負母線之間，主要由串聯連接的第七開關管Q7和第八開關管Q8組成；第一電機的b相電源線連接在第七開關管Q7和第八開關管Q8之間；

第五開關管橋臂，連接於所述正母線和所述負母線之間，主要由串聯連接的第九開關管Q9和第十開關管Q10組成，第一電機的c相電源線連接在第九開關管Q9和第十開關管Q10之間；

進一步地，所述第一電容C1和第二電容C2分別為電解電容。

進一步地，所述第一開關管Q1～第十開關管Q10採用MOS管、IGBT或雙極性電晶體。

本實施例提出一種用於雙電機的逆變器拓撲結構，主要包括兩個串聯電容以及五個開關管橋臂，結構類似於現有五橋臂逆變器拓撲，但控制卻比現有五橋臂逆變器簡單且控制效果會比五橋臂逆變器更好。

本實施例所提出的用於雙電機的逆變器拓撲結構，如圖4所示，可以看成第一電機1由三相四開關逆變器控制，第二電機2是由三相電壓型全橋逆變器控制。

如圖4所示，三相四開關逆變器由第一電容C1、第二電容C2、第一開關管～第四開關管Q1、Q2、Q3、Q4構成；三相電壓型全橋逆變器由圖4中的第五開關管～第十開關管Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10構成。

本實施例的用於雙電機的逆變器拓撲結構看似和現有五橋臂拓撲結構一樣，其實有很大區別。在現有五橋臂拓撲結構中兩臺電機公用一個橋臂，而本實施例的拓撲結構兩臺電機並沒有共用一個橋臂，第一電機1與三相四開關逆變器相連，第二電機2與三相電壓型全橋逆變器相連，兩臺電機之間的控制不會相互影響，控制更加簡單並且效果更好，但是採用的開關數量卻和五橋臂是一樣的，所以這種拓撲相比之前的雙電機拓撲是很大的改進。

具體在控制時，按照對普通三相四開關逆變器的控制對第一電機1進行控制，按照對三相電壓型逆變器的控制對第二電機2進行控制。

本實施例可以真正實現獨立控制，控制更簡單，且控制效果更好。

本實施例經過試驗驗證，結果符合預期。

本實施例採用的網側電壓為幅值為311V工頻正弦波，各硬體參數分別如下：輸入電感L為1mH，電容組選用兩個470μF進行串聯，開關器件為600V，25A的IGBT，開關頻率設置為10kHz。電機1為內置式永磁同步電機，電機參數如下：直軸電感為6.9mH，交軸電感為10.7mH，定子相電阻為0.8Ω，永磁磁鏈為0.088366Wb，電機極對數為3，額定功率為1.35kW，額定轉速為5400rpm；電機2為表貼式永磁同步電機，電機參數如下：直軸電感為67.5mH，交軸電感為67.5mH，定子相電阻為7.1Ω，永磁磁鏈為0.421Wb，電機極對數為4，額定功率為560W，額定轉速為850rpm。

為了證明兩個電機可以任意使用SPWM或者SVPWM，本實施例對第一電機1的逆變器使用SVPWM，對第二電機2的逆變器使用SPWM。使用如圖5所示的電流內環轉速外環的雙閉環控制策略，同時兩臺電機都是用弱磁，所以iq的給定來自於轉速環的輸出，id的給定採用下式：

其中，Ψm是轉子磁鏈，Ld是d軸電感，Vom是第一電機1或第二電機2可以達到的相電壓基波幅值，ω是第一電機1或第二電機2的電角速度，Lq是q軸電感，iq是q軸電流，id是d軸電流。

第一電機1的轉速環PI調節器參數設置為Kp＝100，Ki＝0.1，輸出限幅為±15A。dq軸電流PI調節器參數設置為Kp＝50，Ki＝10，輸出限幅為±300V。

第二電機2的轉速環PI調節器參數設置為Kp＝0.1，Ki＝1，輸出限幅為±15A。dq軸電流PI調節器參數設置為Kp＝5000，Ki＝1000，輸出限幅為±300V。

第一電機1的參考轉速為5400rpm，轉速跟蹤波形如圖6所示；

第二電機2的參考轉速為850rpm，轉速跟蹤波形如圖7所示。

第一電機1的額定轉矩為6.3N.m，轉矩跟蹤波形如圖8所示；

第二電機2的額定轉矩為2.38N.m，轉矩跟蹤波形如圖9所示。

試驗結果表明電機能夠最終穩定在給定轉速以及給定的負載轉矩，驗證了本實施例的可行性。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。