[發明專利]一種可切換繞組的永磁同步電機驅動系統

有效

• 申請號: 201310581305.1
• 申請日: 2013-11-19
• 公開（公告）號: CN103684196A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 張卓然;耿偉偉;田波
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02P25/18
• 分類號: H02P25/18;H02P21/00;H02P27/08
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 楊楠

技術領域

本發明涉及一種永磁同步電機驅動系統，尤其涉及一種可切換繞組的永磁同步電機驅動系統。

背景技術

永磁同步電機驅動系統由于具有高效、高轉矩/功率密度的突出優勢，逐漸成為現代電力牽引系統如混合動力汽車、純電動汽車驅動系統的重要發展方向之一。然而，對于電動汽車等電動載運工具，工作轉速范圍很寬，因此對驅動系統的調速范圍要求高，最高轉速與基速比達到甚至超過5:1。永磁同步電機存在制成后氣隙磁場難以調節的固有問題，調速系統中隨著轉速的升高，定子繞組反電勢隨著轉速線性增大，當轉速增大到一定值時，將會超過供電逆變器的電壓極限，此時逆變器將難以向電機三相繞組饋電。當轉速超過基速以上，為了擴大永磁同步電機的轉速范圍，目前較為常用的方法是通過施加定子直軸去磁電流（弱磁電流），產生一個與永磁磁場方向相反的磁場，從而削弱氣隙磁場，進而避免定子繞組反電勢在轉速進一步升高時超過逆變器的極限電壓。針對這樣的弱磁擴速方法，目前有比較多的技術方案。例如，專利CN103187919A公開了一種永磁同步電機弱磁調速的系統和方法，該方法避免了因轉矩-電流系數變化造成的控制偏差。專利CN102651626A公開了一種永磁同步電機的弱磁控制方法，通過電機直軸電流調節器輸出的直軸電壓指令值和逆變器輸出的最大電壓值來計算得到電機交軸電壓的指令值，保證在弱磁區間電機電壓達到最大值，該種方法有利于解決弱磁控制中交直軸電流耦合而引起的系統控制效果不理想問題，并能提高電壓利用率。。然而，由于弱磁電流形成的磁場回路一般需要穿過永磁體，因此大大增加了永磁體發生不可逆退磁的風險；同時，直軸電流對磁場的弱磁調節范圍也隨著電機轉子結構的不同而有明顯的差異。盡管不少學者和專家對永磁同步電機的轉子結構進行了較為深入的研究和實踐，獲得了優化的弱磁擴速范圍（1：3），但是仍然難以滿足高性能電動汽車、家用電器等一些特殊場合的應用要求，往往以犧牲驅動系統功率/轉矩密度為代價，或者增加了驅動逆變器的功率容量。

另外，盡管增加定子弱磁電流可以獲取有益的效果，但運行在高速區定子繞組上弱磁電流較大，無功功率增大，機電能量轉換效率相對減小。為此，電機領域專家提出了變換定子繞組結構，從而達到拓寬永磁同步電機轉速范圍的目的。專利CN101039095A從定子繞組結構出發提出了一種基于交流電流直接控制的永磁同步電機弱磁控制系統，其在永磁同步電機上有兩套繞組：功率繞組和弱磁繞組，兩套繞組各自外接逆變器，分別用來產生轉矩和弱磁電流。此種發明的優勢在于弱磁控制簡單，可靠性高；然而，從本質上來說還是類似于上述增加弱磁電流Id實現擴速的方法，弱磁繞組的損耗也會使電機效率降低。另外一種比較可行的方案是采用繞組切換技術，將定子繞組分成若干部分，通過開關管在繞組連接方式之間切換工作模式，從而實現寬轉速范圍的運行。例如，專利101911473A公開了一種三相交流電動機的繞組切換裝置，將該裝置連接在定子繞組分離部位實現定子繞組不同部分工作切換，從而可以實現電機高速與低速之間的繞組切換,但是并沒有給出繞組切換的有效控制方法。然而，由于不同繞組之間工作的切換，導致在切換過程中輸出轉矩有突變，勢必會給整個調速系統的動態性能帶來較大沖擊。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術不足，提供一種可切換繞組的永磁同步電機驅動系統，能夠顯著拓寬驅動系統工作轉速范圍，提高系統的運行效率和容錯性能。

本發明的可切換繞組的永磁同步電機驅動系統，包括：定子三相電樞繞組端部打開的永磁同步電機、第一逆變器、第二逆變器、繞組開關變換裝置和系統控制器；通過在每相繞組中設置中間抽頭，所述永磁同步電機的定子三相電樞繞組被分為兩套串聯的繞組：第一三相繞組、第二三相繞組，這兩套三相繞組分別與第一逆變器的輸出端、第二逆變器的輸出端連接；第一逆變器和第二逆變器的直流母線的高電位端分別連接有一個可控開關裝置，可分別通過所述可控開關裝置開通/關斷第一逆變器、第二逆變器與直流電源的連接；繞組開關變換裝置與所述中間抽頭連接，可實現第一三相繞組和第二三相繞組串聯工作，以及第一三相繞組/第二三相繞組單獨工作，這兩種繞組工作狀態的切換；所述系統控制器分別與繞組開關變換裝置、第一逆變器、第二逆變器、兩個可控開關裝置信號連接。

為了抑制繞組切換前后的轉矩突變，使整個電機的轉矩-轉速曲線平緩過渡，本發明進一步采用以下技術方案：

系統控制器根據所述永磁同步電機的轉速控制所述兩個可控開關裝置、第一逆變器、第二逆變器及繞組開關變換裝置，具體如下：