[發明專利]一種多模態柔性切換的電機驅動器及拓撲切換控制方法

有效

• 申請號: 202011329273.2
• 申請日: 2020-11-24
• 公開（公告）號: CN112532144B
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發明（設計）人: 蔣棟;李安;劉自程;孫翔文
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02P23/00
• 分類號: H02P23/00;H02P29/024;H02P29/028
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種多模態柔性切換的電機驅動器及拓撲切換控制方法，其包括第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂、第四橋臂以及第一雙向晶閘管、第二雙向晶閘管、第三雙向晶閘管、第四雙向晶閘管。通過控制切換電路中四個雙向晶閘管的導通與關斷，電機驅動器可以切換四種拓撲結構，分別對應三相半橋拓撲、三相四橋臂拓撲、單相反接的三相四橋臂拓撲和串聯繞組拓撲。本發明的電機驅動器在不同的工況需求下，可以采用不同的拓撲結構，從而提升電機驅動器的控制自由度和容錯能力，并實現電機工作區間的最大化。同時，所提出的柔性切換電路及其控制方法實現了四種拓撲的柔性切換，使電機驅動器切換拓撲的過程短暫迅速，不對電機的轉速和轉矩造成任何影響。

技術領域

本發明屬于交流電機與驅動控制領域，更具體地，涉及一種多模態柔性切換的電機驅動器及拓撲切換控制方法。

背景技術

采用電力電子變換器作為電機驅動器控制交流電機是現代電力傳動的主要方法。電力電子變換器的拓撲結構，對電機驅動系統的動態控制能力、轉矩輸出能力、調速范圍大小、容錯運行能力以及可靠性等關鍵性能具有決定性的影響。而目前不存在一種各項性能指標均完美的拓撲結構。因此，針對不同類型的電機和應用領域要求，業界會根據重點需求選擇不同的電力電子變換器拓撲結構。譬如目前工業界應用最廣泛的三相半橋拓撲結構，其性能優勢在于損耗低、低速轉矩輸出能力強，但調速范圍窄，無容錯能力。三相四橋臂拓撲為電機提供了零序電流通路，因此可以實現電機的斷線容錯，但其他性能沒有改進。而三相全橋拓撲結構，其性能優勢在于調速范圍廣，容錯性能好，但需要六個橋臂，成本高、損耗大，功率密度低。近年來，一種三相串聯繞組拓撲結構被提出，其優勢與三相全橋拓撲相同，且只需要四個橋臂，克服了其功率密度低等缺陷，但該拓撲導致部分橋臂電流應力增加，限制了電機在低速時的轉矩輸出能力。

可見，目前的電機驅動器拓撲結構均存在自身難以克服的性能缺陷，尤其是電驅系統最重視的轉矩輸出能力和調速范圍，在同一種拓撲中無法實現同時優化。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提出一種多模態柔性切換的電機驅動器及拓撲切換控制方法，旨在不影響電機工作的情況下，實現多種拓撲的切換，從而同時保證低速時的轉矩輸出能力和高速時的轉速輸出能力，實現電機工作區間的最大化，并提升電機驅動系統的控制自由度和容錯能力。

為實現上述目的，按照本發明的一方面，提供了一種多模態柔性切換的電機驅動器，包括用于組成電機驅動器拓撲的第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂、第四橋臂以及用于組成切換電路的第一雙向晶閘管、第二雙向晶閘管、第三雙向晶閘管、第四雙向晶閘管；每個橋臂包含一個上橋臂功率開關器件和一個下橋臂功率開關器件，每個橋臂的上橋臂功率開關器件的上節點連接直流母線電壓，下橋臂功率開關器件的下節點連接電源地，上橋臂功率開關器件的下節點與下橋臂功率開關器件的上節點連接，作為橋臂的輸出節點；

A相繞組的左節點連接第一橋臂的輸出節點，A相繞組的右節點連接第一雙向晶閘管的右節點、第二雙向晶閘管的左節點和第四雙向晶閘管的右節點；

B相繞組的左節點連接第二橋臂的輸出節點，B相繞組的右節點連接第三雙向晶閘管的右節點和第四雙向晶閘管的左節點；

C相繞組的左節點連接第三橋臂的輸出節點，C相繞組的右節點連接第四橋臂的輸出節點；

第一雙向晶閘管的左節點連接第二橋臂的輸出節點，第三雙向晶閘管的左節點連接第三橋臂的輸出節點，第二雙向晶閘管的右節點連接第四橋臂的輸出節點。

進一步地，組成切換電路的四個雙向晶閘管用于切換電機驅動器的拓撲結構：

當第二雙向晶閘管和第四雙向晶閘管導通，第一雙向晶閘管和第三雙向晶閘管關斷時，根據第四橋臂的工作狀態可分為兩種拓撲結構。當第四橋臂不工作時，為三相半橋拓撲結構，可以提供大電流但不能提供高直流電壓利用率，因此適用于電機在低速大轉矩工況下運行；當第四橋臂工作時，為三相四橋臂拓撲結構，用于低速下的容錯運行；