采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法技术

本发明专利技术涉及一种采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法。当电机电压随频率升到额定值时，即对交流电动机定子绕组施以Y/YY变换，以降低每相绕组串联匝数至原匝数的一半，同时减小绕组供电电压一半，使绕组重新获得相当于一倍电压的提升空间，系统恒转矩调速范围在新的绕组连接方式下得以延拓一倍。本发明专利技术实现了在不提升电源电压，不增加逆变电路半导体开关器件数量的条件下扩大电机恒转矩调速范围的目的，并且Y/YY变换前后的绕组电压相位仍保持不变，给控制带来了便利。

A Method of Expanding the Speed Regulation Range of AC Motor with Constant Torque and Frequency Conversion by Y/YY Conversion

【技术实现步骤摘要】
采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法
本专利技术涉及电力电子学、DSP技术、电机与电器领域，具体为一种采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法。
技术介绍
现有交流电动机变频调速系统在基频(50HZ)以下的恒转矩调速范围受到电机额定电压的强力制约，当电压随转速(或频率)升到额定电压UN时，恒转矩调速即达到极限，尽管之后仍可以继续提升输出频率以提升转速，但必须降低励磁，使转矩随着转速升高而下降，属于恒功率性质的调速，不能满足高速(基频以上)情况下仍保持恒转矩输出的驱动要求。例如，电动汽车、高速列车所受到的空气阻力随运行速度的平方递增，当运行速度升到某一数值时，空气阻力将占全部运行阻力的主要部分。因此，扩大交流电机的恒转矩调速范围，使高速条件下仍具有大的输出转矩，对于实现重载下的高速运行具有重要意义。目前为扩大交流电机恒转矩调速范围主要采取提升电机额定电压的办法，由此涉及到电源电压、功率半导体器件耐压等级也应作相应的提升。然而，提升功率半导体器件耐压面临多种因素制约，除制造技术外，使用中过高的du/dt将对功率半导体器件可靠性及电机绝缘带来不利影响。目前国内外采用三电平逆变技术解决这一矛盾[1-16]，可使每个功率半导体器件的耐压值减半，有效降低器件的du/dt，并带来改善输出电压波形质量的好处。但又伴生出中性点电位(neutralpointpotential)波动的问题[4-10]。随着逆变输出电压与电流增大，或在低功率因数运行情况下，中性点电位波动加剧，甚至引起低频震荡，致使逆变性能恶化。此外，功率半导体器件使用数量增加一倍，且电平数越多，所需的器件数就越多，成本也越高，伴随而来的控制愈加复杂，可靠性成为问题[11-15]。采用单元串联式多电平逆变技术也是另一行之有效的方法[16][17]。该方法具有谐波污染小、输入功率因数高、输出波形好、du/dt低的优点，但同样存在串联单元数多，控制复杂的缺点，并且每个串联单元须由一个独立的、相位错开一定角度的变压器二次绕组供电，所需二次侧绕组数量与串联单元数相同，且绕组联结复杂，使该附加变压器又额外占用很大成本与空间。直接减少电机绕组匝数也可视为扩大恒转矩调速范围的一个途径，但是该方法势必让低速运行时的PWM处于极度深调状态，即要求更多地降低调制度M值，带来总谐波失真THD增大[18-21]、死区效应更加突出的负面效应，严重削弱低速性能。文献[22]-[26]采用了变极与变频相结合的办法扩大电机恒功率的调速范围，但恒转矩调速范围依旧不变。该方法仅适用于转矩随转速反比下降的负载类型。在控制上须采用两套逆变电源分别对电机两套三相绕组即六相绕组供电，使功率半导体器件数增加一倍，此外，为使两套绕组的电流处于良好的平衡状态所采取的控制也较为复杂。文献[27]采用了Y/△绕组变换方法扩大交流电动机恒转矩变频调速范围，该方法具有成本低，控制较简单等诸多优点，但是其恒转矩变频调速扩大范围只限于倍，并且在进行Y/△变换前后须考虑绕组相电压π/6的相位移，否则会引起较大的瞬态电流，威胁功率半导体器件的安全。综上所述，现有扩大恒转矩调速范围的技术案及缺点如下：1、采用三电平逆变技术。该技术通过增加每个桥臂所用功率半导体开关器件数量的办法，提升桥臂承受的直流母线的电压的能力，以此提升逆变输出电压，达到扩大电机恒转矩调速范围的目的。但功率半导体器件使用数量随之增加一倍，且电平数越多，所需的器件数就越多，伴随而来的是成本及控制复杂度增加，可靠性也是一大问题。2、采用单元串联式多电平逆变技术。该技术通过对各逆变单元进行串联叠加的办法提升总的逆变输出电压，以此达到扩大电机恒转矩调速范围的目的。所用逆变单元串联数越多，则输出电压越大，但所用功率半导体器件数量及控制复杂性也随之增加，并且每个逆变单元须由一个独立的、相位错开一定角度的附加变压器二次绕组供电，所需二次侧绕组数量与串联单元数相同，且绕组内部联结复杂，使该附加变压器又额外占用很大成本与空间。3、采用Y/△绕组变换方法的技术[27]。该技术虽然具有成本低，控制较简单等诸多优点，但是其恒转矩变频调速扩大范围限于倍，并且在进行Y/△变换前后须考虑绕组相电压π/6的相位移，由此附加了相应处理环节。否则会引起较大的瞬态电流，威胁功率半导体器件的安全。参考文献：[1]RamonPortillo,SergioVazquez,JoseI.Leon,etal.Modelbasedadaptivedirectpowercontrolforthree-levelNPCconverters[J].IEEETransactionsonIndustrialInformatics,2013,9(2):1148-1157[2]VenkataYaramasu,BinWu.Predictivecontrolofathree-levelboostconverterandanNPCinverterforhigh-powerPMSG-basedmediumvoltagewindenergyconversionsystems[J].IEEETransactionsonPowerelectronics,2014,29(10):5308-5322.[3]HamidR.Teymour,DannySutanto,KashemM.Muttaqi,etal.SolarPVandbatterystorageintegrationusinganewconfigurationofathree-levelNPCinverterwithadvancedcontrolstrategy[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2014,29(2):354-365.[4]N.Celanovic,D.Boroyevich.Acomprehensivestudyofneutralpointvoltagebalancingprobleminthreelevelneutralpointclampedvoltagesourcepwminverters[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2000,15(2):242–249.[5]AmitKumarGupta,AshwinM.Khambadkone.AsimplespacevectorPWMschemetooperateathree-levelNPCinverterathighmodulationindexincludingovermodulationregion,withneutralpointbalancing[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2007,43(3):751-760.[6]HirofumiAkagi,TakaakiHatada.Voltagebalancingcontrolforathree-leveldiode-clampedconverterinamedium-voltagetransformerlesshybridactivefilter[J].IEEETransaction本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法，其特征在于，将三相交流电动机的每相绕组分为完全相同的两部分绕组，当三相绕组为Y连接时，每相的两部分绕组首尾串连；当三相绕组为YY连接时，每相的两部分绕组并联，即首–首相连，尾–尾相连，使得并联后的绕组匝数较串联的绕组匝数少一半，而导电面积增加一倍；Y/YY变换时机为：当三相交流电动机电压随频率升到额定值时，即对三相交流电动机定子绕组施以Y/YY变换，使得每相绕组串联匝数减少至原匝数的一半，并同时降低施加于绕组的供电电压一半，相当于使绕组重新获得一倍电压的提升空间，因此三相交流电动机调速系统的恒转矩调速范围得以延拓一倍。

【技术特征摘要】
1.一种采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法，其特征在于，将三相交流电动机的每相绕组分为完全相同的两部分绕组，当三相绕组为Y连接时，每相的两部分绕组首尾串连；当三相绕组为YY连接时，每相的两部分绕组并联，即首–首相连，尾–尾相连，使得并联后的绕组匝数较串联的绕组匝数少一半，而导电面积增加一倍；Y/YY变换时机为：当三相交流电动机电压随频率升到额定值时，即对三相交流电动机定子绕组施以Y/YY变换，使得每相绕组串联匝数减少至原匝数的一半，并同时降低施加于绕组的供电电压一半，相当于使绕组重新获得一倍电压的提升空间，因此三相交流电动机调速系统的恒转矩调速范围得以延拓一倍。2.根据权利要求1所述的采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法，其特征在于，由于对三相交流电动机定子绕组施以Y/YY变换，使得每相绕组串联匝数减少至原匝数的一半，并同时降低施加于绕组的供电电压一半，为此，须相应降低PWM的调制度M值一半，使相电压在Y/YY变换后由UN降为UN/2，以保持气隙磁通Φm为恒值。3.根据权利要求2所述的采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法，其特征在于，该方法具体实现过程如下：提供一交流电动机恒转矩变频调速系统，包括DSP控制单元、三相交流电动机、速度传感器、Y/YY变换控制电路、变频电源电路，所述DSP控制单元用于控制Y/YY变换控制电路使得三相交流电动机三相绕组进行Y/YY变换；变频电源电路通过Y/YY变换控制电路为三相交流电动机供电，速度传感器用于检测三相交流电动机转速；设UYφ为三相交流电动机绕组在Y连接下的相电压，UYYφ为YY连接下的相电压；当三相交流电动机供电频率f1升至额定值f1N时，此时对应三相交流电动机同步转速为n1N，PWM调制度M为1，三相交流电动机相电压Uφ达额定值UN，通过Y/YY变换控制电路对三相交流电动机绕组施以Y/YY变换操作，即由Y连接变为YY连接，此时三相交流电动机每相绕组串联匝数减少一半，为使变换前后三相交流电动机气隙磁通Φm不变，应使绕组相电压也下降一半，即UYYφ＝UYφ/2＝UN/2；为此，须相应降低PWM的调制度M值一半，即M＝1/2，使相电压在Y/YY变换后由...

【专利技术属性】
技术研发人员：王榕生，韩梁，王洪涛，吴必瑞，
申请(专利权)人：宁德师范学院，
类型：发明
国别省市：福建,35