CN112910144A - 一种桥臂电流应力最小的多相绕组串联相序及调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥臂电流应力最小的多相绕组串联相序及调制方法，属于交流电机与驱动控制领域。所有的定子绕组按照间隔相数

的顺序进行间隔反向串联，即每间隔一个绕组将其正端、负端反向后，与相数相差Δn的绕组串联，引出N+1个电机绕组节点。本发明通过改变相绕组的连接顺序并反接部分绕组的方式来改变桥臂电流应力和电压利用率，使桥臂的电流应力可以达到最小，解决了普通串联绕组拓扑中电机相绕组顺串连接带来的电流应力较大、损耗较高的问题，能够极大地减小器件的损耗，降低成本，优化控制性能；并且本发明还通过分析计算得到多相电机相数为奇数时，为使电流应力达到最小，Δn的取值的通解公式和对应电流应力与相绕组电流比值的通解公式。

Description

一种桥臂电流应力最小的多相绕组串联相序及调制方法

技术领域

本发明属于交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及一种桥臂电流应力最小的多相绕组串联相序及调制方法。

背景技术

近年来，由于多相电机具有转矩脉动小，功率器件容量要求低，容错能力强等诸多优点，多相电机及其控制技术愈发引起人们的重视。在多相电机驱动的研究中，半桥拓扑是传统的多相逆变器基本拓扑结构，但其具有定子电流控制自由度低、调速范围窄、容错性能差等固有缺点；另外，存在一种N相全桥逆变器拓扑结构，在克服了半桥拓扑的部分缺点的同时，也带来了功率器件多、***成本高、功率密度低、运行损耗大等另外一些缺点和矛盾。

中国发明专利CN109039207A公开了一种N相N+1桥臂逆变器拓扑结构及其调制方式，如图1所示。该N相N+1桥臂的拓扑结构能够减少逆变拓扑中的功率器件数量，减少功率器件容量，降低驱动***成本，提高功率密度。

但对于此串联绕组拓扑结构，在电机相绕组电压、电流保持不变的情况下，逆变器部分桥臂存在电流应力较大的问题，带来的缺陷主要有：

(1)器件损耗较高，工作效率较低；

(2)对器件电流应力要求较高，器件选型困难，成本较高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种桥臂电流应力最小的多相绕组串联相序及调制方法，旨在解决现有串联绕组拓扑结构逆变器部分桥臂存在电流应力较大的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种桥臂电流应力最小的多相绕组串联相序，N相N+1绕组节点电机定子绕组对称分布，相邻相对应的电动势之间的相位差α＝2π/N，以电机的第一相为参考相，定子绕组电流流入的节点定义为绕组正端，定子绕组电流流出的节点定义为绕组负端；

从第一相开始，将所有的定子绕组按照间隔相数

的顺序进行间隔反向串联，即每间隔一个绕组将其正端、负端反向后，与相数相差Δn的绕组串联，引出N+1个电机绕组节点；

N+1个电机绕组节点用于与N相N+1桥臂逆变器中N+1个桥臂输出节点依次顺序连接；

其中，N为大于等于5的奇数。

进一步地，N相N+1桥臂逆变器同一桥臂两侧相绕组正负端的方向相反。

进一步地，N相N+1桥臂逆变器桥臂电流应力达到最小。

进一步地，N相N+1桥臂逆变器首尾两个桥臂电流应力与相绕组电流相等，中间桥臂电流与相绕组电流大小之比为：

按照本发明的另一方面，提供了一种上述桥臂电流应力最小的多相绕组串联相序的调制方法，包括将N+1个桥臂的参考输出电压V_l(k)与载波信号进行比较，V_l(k)大于载波信号时，上桥臂开通，下桥臂关断；V_l(k)小于载波信号时，下桥臂开通，上桥臂关断；得到各个桥臂中功率开关器件的驱动信号，将驱动信号输入到驱动电路中，驱动功率开关器件动作，产生需要的电机定子相电压V_p(i)，其中，i＝1,2，···,N，k＝1,2，···,N+1。

在使用N相N+1桥臂逆变器拓扑，驱动采用本发明提出的多相绕组串联相序的N相电机时，需要采用相应的电压调制策略，从而达到桥臂电流应力最小的效果。

本调制算法通过控制N+1个桥臂中功率开关器件的互补导通，产生电机所需要的N相定子电压，并且使得桥臂的电流应力最小。

电机N相定子的相电压幅值相等，相邻相对应的电动势之间的相位差α＝2π/N，因此设定电机N相定子电压如下式所示：

V_p(i)＝v_pref sin(ωt-(i-1)α)

其中v_pref为定子相电压的幅值，电压角频率为ω。

类似地，N+1个桥臂的参考输出电压为幅值相等、相位不同的正弦电压。设桥臂电压为V_l(k)，幅值设为v_lref。

根据拓扑结构可以得到，定子相电压为其相邻两桥臂的参考输出电压之差：

V_p(i)＝V_l(k)-V_l(k+1)

定子相电压幅值v_pref和桥臂的参考输出电压幅值v_lref关系为：

N+1个桥臂的参考输出电压的相位依次相差角度

因此设N+1个桥臂的参考输出电压为：

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明的主要优点是通过改变相绕组的连接顺序并反接部分绕组的方式来改变桥臂电流应力和电压利用率，并借助理论分析和实验验证得到了使桥臂的电流应力可以达到最小的解，解决了普通串联绕组拓扑中电机相绕组顺串连接带来的电流应力较大、损耗较高的问题，能够极大地减小器件的损耗，降低成本，优化控制性能；并且本发明还通过分析计算得到多相电机相数为奇数时，为使电流应力达到最小，Δn的取值的通解公式和对应电流应力与相绕组电流比值的通解公式。

附图说明

图1是现有N相N+1桥臂串联绕组电路的典型拓扑结构；

图2是五相六桥臂多相电机的电压电流矢量图；

图3是五相六桥臂多相电机相绕组顺串依次连接的电压矢量图；

图4是七相八桥臂多相电机的电压电流矢量图；

图5是七相八桥臂多相电机Δn＝1且相绕组顺串连接的电压电流矢量图；

图6是七相八桥臂多相电机Δn＝3且相绕组间隔反串的电压电流矢量图；

图7是本发明N相N+1桥臂串联绕组电路间隔反串的拓扑结构；

图8是五相六桥臂多相电机Δn＝2且相绕组间隔反串的电压电流矢量图；

图9(a)和9(b)分别是实施例1中五相六桥臂多相电机输出相电压、电流波形；

图10是实施例1中五相六桥臂多相电机电流应力最小接线方式桥臂电流应力波形；

图11(a)和11(b)分别是实施例1中五相六桥臂多相电机其他接线方式下桥臂电流应力波形；

图12(a)和12(b)分别是实施例2中七相八桥臂多相电机输出相电压、电流波形；

图13是实施例2中七相八桥臂多相电机电流应力最小接线方式桥臂电流应力波形；

图14是实施例2中七相八桥臂多相电机其他接线方式下桥臂电流应力波形。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

本发明的主体电路是基于串联绕组拓扑结构的N相N+1桥臂电机驱动拓扑，如图1所示是该主体电路的典型拓扑结构，在电机相绕组电压电流保持不变的情况下，桥臂的电压利用率与电流应力可以由电机的相数以及电机相绕组的连接方式决定。本发明通过改变相绕组的连接顺序并将部分绕组反接的方式来改变桥臂电流应力和电压利用率，并借助理论分析和实验验证得到使桥臂电流应力达到最小的解，解决了普通串联绕组拓扑中电机相绕组依次顺串连接带来的电流应力较大、损耗较高、器件成本较高的问题。

本发明通过理论分析计算得出了在奇数相多相电机中使电流应力达到最小的相绕组连接方式的一般性结论及参数公式，现进行说明如下：

对于多相电机，为了表示的方便，我们用***数字由小到大依次表示多相电机的每一相，如图2所示，标号V_p(1)～V_p(5)表示五相电机各相绕组电压矢量。取Δn为同一桥臂两侧电机相绕组的相序的差值，如图1所示拓扑即五相电机为Δn＝3-1＝5-3＝2的情况。若绕组按照Δn＝1依次顺串，则代表从左到右依次为1～5相顺序排列，体现在矢量图中即为1～5相的电压矢量首尾相连，形成一个正五边形，如图3所示。

对于相数N为奇数(N＝5,7,9,11···)的多相电机驱动控制拓扑，当

且间隔反串(同一桥臂两侧相绕组连接方式相反)时，桥臂电流应力最小。此时首尾两个桥臂电流应力与相绕组电流相等，其余中间桥臂电流应力与相绕组电流之比的通式为：

现举例说明本发明的典型分析方法，图4为七相八桥臂电机的电压电流矢量图，图5为Δn＝1且相绕组顺串连接的电压矢量图，其绕组接法为(-1-2-3-4-5-6-7-(数字的顺序表示相绕组的相序，数字带有上划线表示反接)，桥臂电流与绕组相电流之比为0.868；图6为Δn＝3且相绕组间隔反串的电压矢量图，其绕组接法为

除首尾两桥臂以外，其余的桥臂电流与绕组相电流之比为最小值0.445。

本发明基于的串联绕组逆变器所驱动的开绕组电机，是将常规电机的绕组中性点打开，两端各串接一个变换器而形成的一种双端供电的新型电机***拓扑结构。如图2所示，当电机定子绕组对称分布时，相邻相对应的电动势之间的相位差为α＝2π/N。将定子各相绕组电压矢量的起点，即绕组电流流入的节点定义为绕组正端；定子各相绕组电压矢量的终点，即绕组电流流出的节点定义为绕组负端。若将N相绕组按照Δn的相数间隔正负端首尾依次连接，并将引出的N+1个电机绕组节点与N+1个桥臂输出节点依次顺序连接即为现有的顺串接线方式，如图1所示。若将N相绕组中的第任意相的绕组正端、负端反向后与其余绕组串联，即实现了绕组反串，如图7所示。图中绕组标有“*”端为绕组负端。

为详细说明本发明的使用方法，结合具体仿真实验数据，予以举例说明。所需硬件部分包括：N相N+1桥臂逆变器，N相开绕组永磁同步电机，电流传感器。三相交流电源经过不控整流得到直流母线电压Udc，供给电压源型逆变器，并利用逆变器来控制同步电机进行矢量控制。仿真中使用开环控制，软件部分包括：桥臂参考电压矢量发生模块，载波比较脉宽调制模块。

实施例1

现以五相六桥臂电机驱动***为例，按照本发明的具体实施步骤，进行实验。并以本发明将实验过程中获得的数据作为样例，对本发明进行具体说明验证。仿真参数设定如表1所示：

表1

参数	数值
		相数	5
母线电压	400V
		输出相电压	120V
输出相电流	7.5A
		励磁电感	3.4mH
定子电阻	1.5Ω

五相电机作为奇数相电机，当绕组间隔个数

且相绕组间隔反串，即按照

形式连接时：桥臂电流应力最小，为最优解。此时桥臂电压V_l(1)～V_l(6)，绕组相电压V_P(1)～V_P(5)的矢量关系如图8所示。根据拓扑结构可以得到，N+1个桥臂的参考输出电压与N个相电压矢量的关系为：

V_p(i)＝V_l(k)-V_l(k+1)

因此桥臂参考电压矢量设为：

可以得到输出相电压、相电流波形如图9(a)和9(b)所示，幅值分别为120V，7.4A。

桥臂电流如图10所示，首尾两个桥臂电流应力与相绕组电流相等为7.4A，中间桥臂电流约为4.575A。根据本发明提出的奇数相电机桥臂电流应力公式：

仿真电流实际值与理论值基本一致，偏差在误差范围内。

类似地，通过仿真试验了五相电机在顺串下，绕组间隔个数为1、2两种情况电流应力如图11(a)和11(b)所示，输出相电压、电流一致情况下中间桥臂电流分别为8.7A、14.1A，电流应力显然大于本发明提出的最优接线下电流应力。

实施例2

为了体现本方法的通用性，接着以七相八桥臂电机驱动***为例，按照本发明的具体实施步骤，进行实验。仿真参数设定如下：

表2

参数	数值
		相数	7
母线电压	400V
		输出相电压	50V
输出相电流	3.15A
		励磁电感	3.4mH
定子电阻	1.5Ω

七相电机作为奇数相电机，当绕组间隔个数

且相绕组间隔反串，即按照

形式连接时：桥臂电流应力最小，为最优解。此时桥臂电压V_l(1)～V_l(8)，绕组相电压V_P(1)～V_P(7)的矢量关系如图6所示。根据拓扑结构可以得到，N+1个桥臂的参考输出电压矢量与N个相电压矢量的关系为：

V_p(i)＝V_l(k)-V_l(k+1)

因此桥臂参考电压矢量设为：

可以得到输出相电压、相电流波形如图12(a)和12(b)所示，幅值分别为50V，3.15A。桥臂电流如图13所示，首尾两个桥臂电流应力与相绕组电流相等，中间桥臂电流约为1.42A。根据本发明提出的奇数相电机桥臂电流应力公式：

仿真电流实际值与理论值基本一致，偏差在误差范围内。体现了本发明方法在奇数相情况下的通用性。

类似的，通过仿真试验了七相电机在顺串下，绕组间隔个数为1的情况电流应力如图14所示，输出相电压、电流一致情况下中间桥臂电流为2.737A，电流应力显然大于本发明提出的最优接线下电流应力。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种桥臂电流应力最小的多相绕组串联相序，其特征在于，N相N+1绕组节点电机定子绕组对称分布，相邻相对应的电动势之间的相位差α＝2π/N，以电机的第一相为参考相，定子绕组电流流入的节点定义为绕组正端，定子绕组电流流出的节点定义为绕组负端；

从第一相开始，将所有的定子绕组按照间隔相数

的顺序进行间隔反向串联，即每间隔一个绕组将其正端、负端反向后，与相数相差Δn的绕组串联，引出N+1个电机绕组节点；

所述N+1个电机绕组节点用于与N相N+1桥臂逆变器中N+1个桥臂输出节点依次顺序连接；

其中，N为大于等于5的奇数。

2.如权利要求1所述的多相绕组串联相序，其特征在于，所述N相N+1桥臂逆变器同一桥臂两侧相绕组正负端的方向相反。

3.如权利要求2所述的多相绕组串联相序，其特征在于，所述N相N+1桥臂逆变器桥臂电流应力达到最小。

4.如权利要求3所述的多相绕组串联相序，其特征在于，所述N相N+1桥臂逆变器首尾两个桥臂电流应力与相绕组电流相等，中间桥臂电流与相绕组电流大小之比为：

5.一种如权利要求1至4任一项所述的多相绕组串联相序的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

将N+1个桥臂的参考输出电压V_l(k)与载波信号进行比较，V_l(k)大于载波信号时，上桥臂开通，下桥臂关断；V_l(k)小于载波信号时，下桥臂开通，上桥臂关断；得到各个桥臂中功率开关器件的驱动信号，将驱动信号输入到驱动电路中，驱动功率开关器件动作，产生需要的电机定子相电压V_p(i)，其中，i＝1,2，…,N，k＝1,2，…,N+1。

6.一种如权利要求5所述的调制方法，其特征在于，

N+1个桥臂的参考输出电压V_l(k)与N个定子相电压V_p(i)的关系为：

V_p(i)＝V_l(k)-V_l(k+1)

V_p(i)＝v_prefsin(ωt-(i-1)α)

其中，v_pref为定子相电压V_p(i)的幅值，v_lref为桥臂的参考输出电压V_l(i)的幅值，ω为电压角频率，α＝2π/N，i＝1,2，…,N，k＝1,2，…,N+1。

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