一种N相N+1桥臂逆变器及其调制方法技术

本发明专利技术公开了一种N相N+1桥臂逆变器，包括：N+1个桥臂，每个桥臂包括：上桥臂功率开关器件和下桥臂功率开关器件，每个桥臂中的上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点；其中N为电机的总相数，N为奇数，且N大于等于3。本发明专利技术可以减少逆变拓扑中的功率器件数量，减少逆变器系统容量，降低驱动系统成本，提高功率密度，提高直流电压利用率，提高拓扑容错能力，并实现定子电流全部自由度的控制。

【技术实现步骤摘要】
一种N相N+1桥臂逆变器及其调制方法
本专利技术属于交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及一种N相N+1桥臂逆变器拓扑结构及其调制方法。
技术介绍
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越来越引起人们的重视。在多相电机驱动的研究中，半桥逆变拓扑是传统的多相逆变器基本拓扑结构。在半桥逆变器结构中，多相电机定子绕组的一端连接相桥臂，另一端星型连接形成中性点。该拓扑结构存在以下一些缺陷：(1)由于电机定子绕组具有中性点，且中性点悬空，因此定子电流中相同的成分(即零轴电流成分)无法流通。该拓扑结构不具备零轴电流通路，减少了控制定子电流的自由度。在某些需要零轴电流的多相电机中，该拓扑结构无法被采用。(2)在该拓扑中，输出电压中所能生成的最大基波电压幅值为直流母线电压的一半左右，这导致了电机的调速范围窄，限制了电机的运行范围。若要改善电机的运行范围，则需要提高直流母线电压，这将提高整个驱动系统的成本，且可靠性和功率密度降低。(3)由于存在中性点，各相电压之间相互影响，当电机某相定子绕组故障时，会影响其他正常定子相绕组的电压，进而使电机不能正常运行，容错性能较差。现有技术中，存在一种N相全桥逆变器拓扑结构，每个H桥逆变控制一相定子绕组，可以克服上述N相半桥逆变器拓扑的缺点，但同时带来了功率器件多，系统成本高，功率密度低，运行损耗大的缺点。因此，在多相电机驱动领域，电机驱动器的性能、成本以及功率密度始终存在难以调和的矛盾，难以实现最优的匹配。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种N相N+1桥臂逆变器拓扑结构及其调制方法，其目的在于减少逆变拓扑中的功率器件数量，减少逆变器系统容量，降低驱动系统成本，提高功率密度。本专利技术提供了一种N相N+1桥臂逆变器，包括：N+1个桥臂，每个桥臂包括：上桥臂功率开关器件和下桥臂功率开关器件，每个桥臂中的上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点；其中N为电机的总相数，N为奇数，且N大于等于3。其中，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α＝2π/N。其中，从第一相开始，将所有的定子绕组按照电角度间隔Δnα的顺序进行排列并首尾相连，从而引出N+1个电机绕组节点；Δn为排列间隔数，Δn可能的取值为1到(N-1)/2中与N互质的整数，每一种Δn的取值对应了一种相绕组的连接顺序。这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。其中，N+1个桥臂的输出电压矢量与N个相电压矢量的关系为相电压等于其右节点连接的桥臂电压减去其左节点连接的桥臂电压Vp(i)＝Vl(k)-Vl(k+1)i，k∈(1，2，…，n)；其中，N维相电压矢量为[Vp(1)，Vp(2)，......，Vp(n)]T，N+1维桥臂电压矢量为[Vl(1)，Vl(2)，......，Vl(n+1)]T。本专利技术还提供了一种N相N+1桥臂逆变器的调制方法，包括下述步骤：根据N+1个桥臂的输出电压矢量与N个相电压矢量的关系Vp(i)＝Vl(k)-Vl(k+1)获得N+1个桥臂电压值；将N+1个桥臂电压值与载波三角波进行比较后获得实时占空比，并根据实时占空比产生各个桥臂功率器件的方波驱动信号，实现共模电压注入的载波PWM电压调制。其中，当排列间隔数Δn＝(N-1)/2时，N相N+1桥臂逆变器产生的最大的基波相电压幅值为直流母线电压Udc。其中，在广义同步坐标系下根据N+1个桥臂的输出电压矢量与N个相电压矢量的关系Vp(i)＝Vl(k)-Vl(k+1)获得N+1个桥臂电压值。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)相比于N相半桥逆变器拓扑，在驱动不需要零轴电流的多相电机负载时，N相N+1桥臂逆变器的直流电压利用率高，可以应用在直流母线电压有限，需要高直流电压利用率的应用场景中，譬如电动汽车、船舶推动系统等领域。(2)相比N相半桥，N相N+1桥臂逆变器拓扑结构的容错性能好，某相绕组如果断路，不会影响其他绕组的工作。(3)N相N+1桥臂逆变器拓扑存在零轴电流通路且具有对零轴电流的控制能力，而N相半桥逆变器不能流通和控制零轴电流。在需要零轴电流的电机负载中(如直流励磁电机，开关磁阻电机和电流谐波注入多相电机等)，N相半桥拓扑不能被采用，而N相N+1桥臂逆变器拓扑则不存在该限制。N相N+1桥臂逆变器拓扑的应用领域更广阔。(4)在N相N+1桥臂逆变器中，除桥臂1和桥臂N+1两个桥臂外，其他桥臂均不流通零轴电流。因此，在N+1桥臂N相逆变器中，桥臂功率器件的电流应力低，进一步降低器件成本，且系统的运行效率高。附图说明图1为五相六极永磁同步电机各相定子电压的电角度分布；图2为本专利技术提供的五相六桥臂逆变器拓扑结构图；图3为本专利技术提供的五相六桥臂逆变器电压调制算法结构图；图4为通用多相电机矢量控制系统流程图；图5为本专利技术提供的五相电机驱动控制系统结构图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。针对现有技术的缺陷，本专利技术可以减少逆变拓扑中的功率器件数量，减少逆变器系统容量，降低驱动系统成本，提高功率密度，提高直流电压利用率，提高拓扑容错能力，并实现定子电流全部自由度的控制。为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供一种N相N+1桥臂逆变器拓扑，包括：桥臂1至桥臂n+1，共N+1个桥臂，其中N(＝n)为电机的总相数，N为奇数，且N大于等于3。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。每个桥臂包含一个上桥臂功率开关器件和一个下桥臂功率开关器件(功率开关器件可以为带反并联二极管的IGBT或MOSFET等两相限全控功率器件)，每个桥臂的上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点；N相N+1桥臂逆变拓扑中，设定Vp(1)，Vp(2)，……，Vp(n)分别对应电机第1，2，……，n相定子绕组中的绕组端电压。设定Vl(1)，Vl(2)，……，Vl(n+1)分别对应第1至n+1桥臂的输出节点电压。设α＝2π/N为相邻电压相量间的电角度。以电机的第1相为参考相，定子绕组的左节点对应绕组端电压的正极，绕组的右节点对应绕组端电压的负极。记Δn为排列间隔数，Δn可能的取值为1到(N-1)/2中与N互质的整数，每一种Δn的取值对应了一种相绕组的连接顺序。对不同相数的多相电机来说，Δn的取值个数也不尽相同，即多相电机的相绕组连接顺序有多种方式，由于1和(N-1)/2一定与N互质，因此多相电机的相绕组至少存在着两种连接顺序。在Δn取某一特定值时，其对应的具体相绕组连接顺序和相绕组与桥臂的连接方式阐述如下：从第一相开始，将所有的定子绕组按照电角度间隔Δnα的顺序进行排列(1，1+Δn，1+2Δn，......)并首尾相连，从而可以引出N+1个电机绕组节点。将这本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种N相N+1桥臂逆变器，其特征在于，包括：N+1个桥臂，每个桥臂包括：上桥臂功率开关器件和下桥臂功率开关器件，每个桥臂中的上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点；其中N为电机的总相数，N为奇数，且N大于等于3。

【技术特征摘要】
1.一种N相N+1桥臂逆变器，其特征在于，包括：N+1个桥臂，每个桥臂包括：上桥臂功率开关器件和下桥臂功率开关器件，每个桥臂中的上桥臂功率开关器件的上节点连接直流母线电压，下桥臂功率开关器件的下节点连接电源地，上桥臂功率开关器件的下节点与下桥臂功率开关器件的上节点连接，作为桥臂的输出节点；其中N为电机的总相数，N为奇数，且N大于等于3。2.如权利要求1所述的N相N+1桥臂逆变器，其特征在于，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α＝2π/N。3.如权利要求1或2所述的N相N+1桥臂逆变器，其特征在于，从第一相开始，将所有的定子绕组按照电角度间隔Δnα的顺序进行排列并首尾相连，从而引出N+1个电机绕组节点；Δn为排列间隔数，Δn可能的取值为1到(N-1)/2中与N互质的整数，每一种Δn的取值对应了一种相绕组的连接顺序。这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。4.如权利要求1-3任一项所述的N相N+1桥臂逆变器，其特征在于，N+1个桥臂的输出电压矢量与N个相电压矢量的关系为相电压等于其右节点连接的桥臂电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋栋，李安，孔武斌，曲荣海，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42