间接矩阵变换型多相多电平永磁电机系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种间接矩阵变换型多相多电平永磁电机系统，包括双定子多相复合永磁同步电机，该电机定子绕组端口分别由两个独立的五相三电平逆变器供电；所述的每个五相三电平逆变器分别由一个独立的可控整流级供电；所述的两个可控整流级在电网侧共用一套LC滤波器；所述的LC滤波器包括三相并网电感以及与之并联的三相滤波电容，第一五相三电平逆变器与第二五相三电平逆变器分别连接到双定子多相复合永磁同步电机的两个定子绕组端口。本发明专利技术还公开了此种系统的控制方法。本发明专利技术可明显提高电机驱动系统的可靠性、功率密度、转矩平稳性和运行效率，并为解决大容量电机牵引驱动系统在紧凑设计、可靠运行、高效节能方面的技术难点奠定基础。

Indirect matrix transformation type multi-phase multi level permanent magnet motor system and control method thereof

The invention discloses an indirect matrix converter type multilevel multiphase permanent magnet motor system, including double stator multiphase permanent magnet synchronous motor, the stator winding port respectively by two independent power supply five phase three level inverter; each of the five phase three level inverter respectively by an independent controllable rectifier stage power supply; the two controllable rectifier stage in a set of grid side LC filter; LC filter comprises a three-phase grid connected inductor and parallel three-phase filter capacitor, the first five phase three level inverter and the 25 phase three level inverter are respectively connected to the two port more than double stator stator winding phase composite permanent magnet synchronous motor. The invention also discloses a control method of the system. The invention can significantly improve the motor drive system reliability, power density, torque stability and efficiency, and to lay the foundation for the technical difficulties in the compact design, reliable operation, high efficiency and energy saving of the traction drive system to solve the large capacity motor.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种新型基于多相多电平矩阵变换器的双定子多相复合永磁电机驱动系统，属于电工、电机、电力电子的

技术介绍
当前，电机驱动系统对容量、效率、功率密度、可靠性要求不断提高。早期牵引驱动系统主要采用异步电动机。异步电动机虽然结构简单、牢固耐用，但是功率因数和效率受限。永磁电机由于功率密度和效率方面的优势，逐渐成为驱动电机的发展趋势。永磁同步电机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高。开关磁阻电机结构简单、可靠性高，但是其转矩波动大、电枢绕组电流谐波大、效率低。当前发展对电机驱动系统的安全运行、紧凑设计、功率密度、平稳运行有更高的要求。现代电机系统还需具有四象限运行能力，不仅能够把电机减速制动过程的能量回馈到电网，而且需要保证良好的并网电流波形，还要有一定抵抗电网电压故障的能力。因此功率变换电路是现代电机牵引驱动系统另一个重要部件。传统电机牵引驱动系统电网侧大多采用二极管不控整流器，这种方式不仅导致了系统中功率只能单方向流动，无法将电机制动过程的能量回馈到电网中，而且电网侧电流谐波较大。为了消耗电机制动过程中释放的能量，常采用制动电阻耗能，但这样产生了能量浪费。为了有效回收电机制动过程中能量，可以通过额外能量反馈电路将制动能量收集到储能单元中或回馈到电网中。但这种方式需要增加额外的能量反馈电路。另一种回馈电机制动能量的有效措施是用有源整流器取代不控整流器，即电网侧采用有源整流器，不仅可实现电机制动能量回馈，而且改善了电机系统并网电流谐波性能。
技术实现思路
专利技术目的：为了满足电机驱动系统对容量、效率、功率密度、可靠性等方面不断提高的要求，目前仍存在诸多的关键问题和技术挑战。在永磁电机方面，存在的问题是：(1)安装电机驱动的建筑空间有限、电机牵引驱动系统容量不断增加，对永磁电机功率密度提出了更高的要求，要求永磁电机设计更加紧凑。如何在现有永磁电机设计技术基础之上，实现电机空间充分利用、构造更为紧凑的永磁电机结构成为突破电机功率密度限制的关键问题。(2)现代电机系统对稳定性和可靠性提出了更高的要求，同时电机驱动系统容量不断增大使得低电压供电环境下功率变换电路桥臂器件电流应力增大。如何突破传统的三相电机系统设计瓶颈，研究新型电机系统的供电结构是解决高速电机牵引驱动上难点的新挑战。(3)电机驱动系统在运行过程中负载变化大，因此通过电机磁场调节对大容量电机系统进行效率优化具有巨大的节能效益。但是目前广泛应用的钕铁硼永磁电机调磁能力有限，而且调磁过程中始终需要调磁电流。铝镍钴永磁体易于磁场调节，实现了“磁场记忆”，但是其能量密度有限，不利于高速电机牵引系统的紧凑设计。因此如何将钕铁硼永磁体和铝镍钴永磁体在电机中有机结合，并充分发挥两者优势，是高速电机磁场调节实现效率优化的关键问题。在四象限电机系统功率变换电路方面，目前存在的问题是：(1)电机驱动系统广泛采用的两电平逆变器输出电压变换率du/dt较大，会造成电机轴承漏电流问题，易损坏轴承，也会在系统中造成传导性电磁干扰。但采用中压电机驱动中常见的多电平逆变器如中点箝位型(NPC)三电平逆变器将导致开关器件数量增加、成本增加。因此如何研发开关器件数量少的新型多电平功率变换电路是改善高速电机牵引驱动系统电压输出特性亟需解决的问题。(2)目前广泛采用的电压源型逆变器或电流源型逆变器都需在直流母线依赖储能元件。电压源型逆变器需依赖直流母线电容，常规电解电容可靠性差，而薄膜电容价格昂贵。电流源型逆变器所需依赖的直流电感体积较大。(3)现有功率变换电路发生故障时常把故障相所在整条桥臂或整个变换器通道去除，因此并不能有效发挥所有健全功率器件载流能力。如何在电路故障时通过电路重构、容错控制，从而满足电机转矩平稳和高可靠性运行要求是功率变换电路设计的难点。(4)如何设计四象限功率变换电路使电机驱动系统在电网发生故障或干扰时，有效抑制功率波动、避免对电机转矩造成影响，是满足高速电机可靠、稳定运行另一个关键问题。技术方案：为了解决以上难题，本专利技术提出以下技术方案：一种间接矩阵变换型多相多电平永磁电机系统，包括：双定子多相复合永磁同步电机，该电机定子绕组端口分别由两个独立的五相三电平逆变器供电；所述的每个五相三电平逆变器分别由一个独立的可控整流级供电；所述的两个可控整流级在电网侧共用一套LC滤波器；所述的LC滤波器包括三相并网电感以及与之并联的三相滤波电容，其中：所述的三相并网电感的一端和三相滤波电容相连接，三相并网电感的另一端与三相电网相连接，所述的三相滤波电容中点与五相三电平逆变器的箝位二极管中点相连接；所述的五相三电平逆变器包括第一五相三电平逆变器器和第二五相三电平逆变器，所述的可控整流级包括第一可控整流级和第二可控整流级，其中：所述的第一五相三电平逆变器和第一可控整流级相连；所述的第二五相三电平逆变器和第二可控整流级相连；所述的第一五相三电平逆变器与第二五相三电平逆变器分别连接到双定子多相复合永磁同步电机的两个定子绕组端口。作为优化，所述间接矩阵变换型多相多电平双定子多相复合永磁电机系统不包括直流母线电容。作为优化，所述双定子多相复合永磁同步电机包括内定子和外定子，两个定子共用一个转子。作为优化，所述双定子多相复合永磁同步电机采用能使电机转矩脉动变小的分数槽集中绕组设计。作为优化，所述双定子多相复合永磁同步电机的内定子和外定子均采用多相绕组连接。作为优化，所述双定子多相复合永磁同步电机内定子和外定子共用一个转子，该转子采用钕铁硼和铝镍钴两种永磁体的复合结构。一种采用间接矩阵变换型多相多电平双定子多相复合永磁电机系统的控制方法，包括如下步骤：1)检测双定子多相复合永磁同步电机的转速信号ωr和位置信号θr，θ*r为给定的指令转子位置角；将实际转子位置角θr和指令转子位置角θ*r比较，通过位置控制器的作用，输出指令转速信号ω*；将检测到的双定子多相复合永磁同步电机实际转速ωr和指令转速ω*比较，通过速度控制器的作用，输出电磁转矩指令值，同时根据电磁转矩方程，可得到q轴电流指令值i*q；2)控制d轴指令电流i*d＝0；检测双定子多相复合永磁同步电机外定子和内定子五相电流is，经过5s/2r坐标变换单元，得到dq坐标系电机定子实际电流id和iq；将id和iq分别与电流指令值i*d和i*q比较，经过电流控制器的作用，输出dq坐标系电机定子指令电压u*d和u*q；经过2r/5s坐标变换单元，将指令电压u*d和u*q变为五相静止坐标系下的指令电压u*；以u*为期望输出的电压，控制矩阵变换器的逆变侧，使其输出五相电压并作用于永磁同步电机的定子绕组中；3)间接式矩阵变换器的整流级采用空间电流矢量控制方式产生中间直流电压，调制策略主要是依据三相电压的瞬时值判断合成矢量所在的扇区，再确定由哪三个基本空间电流向量合成参考向量，其次计算三个基本电流空间向量的作用时间，再确定三个基本电流空间向量对应的开关状态，最后按照3段式、开关损耗最低的原则确定三个基本电流空间向量作用的顺序，并根据开关顺序确定每相四个开关管的开关状态与切换点对应的时间；4)逆变级采用的是五相三电平二极管箝位型逆变器，采用传统三电平空间电压矢量调制，在整流级电压作用下，参考输入电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种间接矩阵变换型多相多电平双定子多相复合永磁电机系统，其特征在于，包括：双定子多相复合永磁同步电机(313)，该电机定子绕组端口分别由两个独立的五相三电平逆变器供电；所述的每个五相三电平逆变器分别由一个独立的可控整流级供电；所述的两个可控整流级在电网侧共用一套LC滤波器；所述的LC滤波器包括三相并网电感(31)以及与之并联的三相滤波电容(32)，其中：所述的三相并网电感(31)的一端和三相滤波电容(32)相连接，三相并网电感(31)的另一端与三相电网相连接，所述的三相滤波电容中点(38)与五相三电平逆变器的箝位二极管中点(35)相连接；所述的五相三电平逆变器包括第一五相三电平逆变器器(311)和第二五相三电平逆变器(312)，所述的可控整流级包括第一可控整流级(39)和第二可控整流级(310)，其中：所述的第一五相三电平逆变器(311)和第一可控整流级(39)相连；所述的第二五相三电平逆变器(312)和第二可控整流级(310)相连；所述的第一五相三电平逆变器(311)、第二五相三电平逆变器(312)、第一可控整流级(39)和第二可控整流级(310)共同构成间接矩阵变换器。所述的第一五相三电平逆变器(311)与第二五相三电平逆变器(312)分别连接到双定子多相复合永磁同步电机(313)的两个定子绕组端口。...

【技术特征摘要】
1.一种间接矩阵变换型多相多电平双定子多相复合永磁电机系统，其特征在于，包括：双定子多相复合永磁同步电机(313)，该电机定子绕组端口分别由两个独立的五相三电平逆变器供电；所述的每个五相三电平逆变器分别由一个独立的可控整流级供电；所述的两个可控整流级在电网侧共用一套LC滤波器；所述的LC滤波器包括三相并网电感(31)以及与之并联的三相滤波电容(32)，其中：所述的三相并网电感(31)的一端和三相滤波电容(32)相连接，三相并网电感(31)的另一端与三相电网相连接，所述的三相滤波电容中点(38)与五相三电平逆变器的箝位二极管中点(35)相连接；所述的五相三电平逆变器包括第一五相三电平逆变器器(311)和第二五相三电平逆变器(312)，所述的可控整流级包括第一可控整流级(39)和第二可控整流级(310)，其中：所述的第一五相三电平逆变器(311)和第一可控整流级(39)相连；所述的第二五相三电平逆变器(312)和第二可控整流级(310)相连；所述的第一五相三电平逆变器(311)、第二五相三电平逆变器(312)、第一可控整流级(39)和第二可控整流级(310)共同构成间接矩阵变换器。所述的第一五相三电平逆变器(311)与第二五相三电平逆变器(312)分别连接到双定子多相复合永磁同步电机(313)的两个定子绕组端口。2.根据权利要求1所述的间接矩阵变换型多相多电平双定子多相复合永磁电机系统，其特征在于：所述间接矩阵变换型多相多电平双定子多相复合永磁电机系统不包括直流母线电容。3.如权利要求1所述的间接矩阵变换型多相多电平双定子多相复合永磁电机系统，其特征在于：所述双定子多相复合永磁同步电机(313)包括内定子和外定子，两个定子共用一个转子。4.如权利要求1所述的间接矩阵变换型多相多电平双定子多相复合永磁电机系统，其特征在于：所述双定子多相复合永磁同步电机(313)采用能使电机转矩脉动变小的分数槽集中绕组设计。5.如权利要求1所述的间接矩阵变换型多相多电平双定子多相复合永磁电机系统，其特征在于：所述双定子多相复合永磁同步电机(313)的内定子和外定子均采用多相绕组连接。6.如权利要求1所述的间接矩阵变换型多相多电平双定子多相复合永磁电机系统，其特征在于：所述双定子多相复合永磁同步电机(313)内定子和外定子共用一个转子，
\t该转子采用钕铁硼和铝镍钴两种永磁体的复合结构。7.一种采用如权利要求1所述的间接矩阵变换型多相多电平双定子多相复合永磁电机系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：1)检测双定子多相复合永磁同步电机(313)的转速信号ωr和位置信号θr...

【专利技术属性】
技术研发人员：王政，肖扬，游帅，李昊旻，程明，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32