一种双三相电机与开绕组电机在线切换拓扑及其控制方法技术

本发明专利技术提供了一种双三相电机与开绕组电机在线切换拓扑及其控制方法，涉及电机结构及控制技术领域。本发明专利技术提出一种新的电机绕组拓扑，并通过使用两个双向晶闸管可以实现两种模式之间的平滑切换；且无需改变原有调制策略。此外，两组逆变器的功率比可以通过调整双三相模式下的电流比和开绕组模式下的电压比来改变。当发生故障时，对于缺相故障，双三相模式将被用于提供足够的电流控制维度，通过电流补偿来实现容错控制，并且无需改变控制框架。当发生开关管开路或短路故障时，开绕组模式将被用于提供对称相电流，通过在线调整故障扇区中的参考电压矢量来进行容错控制，并且故障逆变器中的剩余健全开关管被充分利用来实现平稳运行。行。行。

【技术实现步骤摘要】
一种双三相电机与开绕组电机在线切换拓扑及其控制方法


[0001]本专利技术涉及电机结构及控制
，尤其涉及一种双三相电机与开绕组电机在线切换拓扑及其控制方法。

技术介绍

[0002]随着科技的进步和技术的发展，越来越多的工作场景需求电机具备更高的可靠性和功率密度；由此，多相电机和开绕组电机越来越受到人们的关注。
[0003]多相电机：即通过增加相数使电机具有低转矩脉动、高功率密度和高可靠性等优点；其中，双三相电机应用较多，已经广泛应用于电动汽车、飞机系统、船舶推进和风力发电等领域。开绕组电机：即通过打开绕组星型连接的电机的中性点得到的并由两个三相电压型逆变器供电；因此，开绕组电机具有多级特性和更多冗余性等优点。
[0004]双三相电机驱动和开绕组电机驱动都具有优异的控制灵活性和容错能力。在控制灵活性方面，双三相电机结构可以通过改变两个三相绕组的电流比来确定两个三相逆变器的功率权重；而开绕组电机结构可以通过改变相应参考电压的电压比来调整两个三相逆变器的功率权重。在容错能力方面，发生缺相故障的双三相电机仍具有足够的电流控制维度，可以用于优化容错状态下运行的转矩和损耗；发生开关管开路或短路故障的开绕组电机仍能保证容错运行中的对称相电流。由于结构上的不同，双三相电机结构和开绕组电机结构适用于不同的运行场合，其面对不同故障时所具备的容错处理能力也不同。
[0005]当双三相电机驱动发生缺相故障时，多种策略可以被用于进行容错控制。最简单的方法是：直接移除故障三相绕组，并将双三相电机转化为三相电机；然而，该方法会使最大输出功率将大幅下降。因此，现在有很多研究致力于充分利用双三相电机发生缺相故障后的剩余健全相；在消除转矩波动的前提下，将最小铜损耗和最大转矩作为容错控制的两个优化目标。
[0006]当双三相电机驱动发生开关管开路故障时，最简单的容错方式为：切断故障支路，并使用上述缺相故障的容错控制方法进行容错。但是，当双三相电机驱动发生开关管短路故障时，通常采用复杂的拓扑重建来进行容错控制，实现这种容错控制是非常复杂且困难的。
[0007]当开绕组电机驱动发生缺相故障时，不同结构的容错控制策略不同。具有公共直流母线的开绕组电机驱动在发生缺相故障时具有两个电流控制维度，通过构造等效旋转磁动势可以实现容错控制，然而，在这种情况下，转矩输出能力非常有限。此外，当发生缺相故障时，隔离直流母线的开绕组电机驱动仅有一个电流控制维度，转矩脉动只能通过额外辅助电路来增加电流控制维度消除。
[0008]当开绕组电机驱动发生开关管开路故障时，最简单的容错方式是：单逆变器容错控制，这要求故障逆变器可以被箝位到中性点。然而，故障逆变器中剩余的健全开关管未被充分利用以分担完好逆变器的损耗。通过优化故障逆变器的开关状态，可以利用剩余的健全开关来产生等效的旋转磁动势，而不是放弃整个故障逆变器。对于共直流母线的开绕组
电机驱动中的开关管短路故障，只能通过增加复杂的辅助电路来实现容错控制。而隔离母线型开绕组电机驱动可以通过重构空间电压矢量图来实现开关管短路故障容错控制。
[0009]综上所述我们不难看出：双三相电机驱动在缺相故障的容错控制中表现良好，然而在开关管故障下的容错能力非常有限。开绕组电机驱动在缺相故障下容错能力较弱，但在开关管故障的容错控制方面较有优势。
[0010]但是，现有技术并未提出融合二者优点、规避各自缺陷的相关调和设计。因此，本专利技术提出一种双三相电机与开绕组电机在线切换拓扑及其控制方法来解决该问题。

技术实现思路

[0011]为解决上述之一技术问题，本专利技术提供的一种双三相电机与开绕组电机在线切换拓扑，对电机绕组进行在线绕组重构，得到能进行双三相结构与开绕组结构之间在线切换的电机绕组拓扑；其中，电机绕组包括：第一三相绕组和第二三相绕组；第一三相绕组包括：A相绕组、B相绕组、C相绕组；第二三相绕组包括：E相绕组、F相绕组和D相绕组；其中，A相绕组与E相绕组、B相绕组与F相绕组、C相绕组与D相绕组之间具有相同的相位偏移角度；在线绕组重构：将A相绕组和E相绕组进行连接，得到A
‑
E绕组；将B相绕组和F相绕组进行连接，得到B
‑
F绕组；将C相绕组和D相绕组进行连接，得到C
‑
D绕组；在A
‑
E绕组连接点和B
‑
F绕组连接点之间，B
‑
F绕组连接点和C
‑
D绕组连接点之间分别设置可控开关，得到电机绕组拓扑；双三相结构：将电机绕组拓扑的两个可控开关连通，此时A相绕组、E相绕组、B相绕组、F相绕组、C相绕组和D相绕组具有共同的中性点，得到双三相结构；开绕组结构：将电机绕组拓扑的两个可控开关断开，此时A
‑
E绕组、B
‑
F绕组和C
‑
D绕组均相互独立，得到开绕组结构。
[0012]作为更加具体的解决方案，可控开关通过双向晶闸管进行设置。
[0013]作为更加具体的解决方案，还设置有逆变器I和逆变器II；A
‑
E绕组、B
‑
F绕组、C
‑
D绕组分别连接在逆变器I与逆变器II之间。
[0014]一种双三相电机与开绕组电机在线控制方法，运用于如上任一项所述的一种双三相电机与开绕组电机在线切换拓扑中，在未发生故障时，通过控制两个可控开关的连通/断开，实现双三相模式/开绕组模式的工作模式自由切换。
[0015]作为更加具体的解决方案，在开绕组模式下，通过如下步骤进行功率调整：功率调整切换至开绕组模式；采集当前电机转速n，并设定参考电机转速n
*
；通过PI控制器进行转速偏差控制计算，并投射至d
‑
q平面，得到参考电流i
q*
和i
d*
；采集当前各相电流i
A
、i
B
、i
C
，并投射至d
‑
q平面，得到当前d
‑
q平面电流i
d
和i
q
；通过参考电流i
q*
和i
d*
、当前d
‑
q平面电流i
d
和i
q
通过无差拍控制算法得到参考电压u
q*
和u
d*
；将参考电压u
q*
和u
d*
平均分配至α1‑
β1坐标和α2‑
β2坐标，并使相位偏移角度保持180
°
相位差，得到α1‑
β1坐标的空间电压矢量U
α1
和U
β1
，α2‑
β2坐标的空间电压矢量U
α2
和U
β2
；
将空间电压矢量U
α1
和U
β1
进行极坐标转换，得到V1和θ1；将空间电压矢量U...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双三相电机与开绕组电机在线切换拓扑，其特征在于，对电机绕组进行在线绕组重构，得到能进行双三相结构与开绕组结构之间在线切换的电机绕组拓扑；其中，电机绕组包括：第一三相绕组和第二三相绕组；第一三相绕组包括：A相绕组、B相绕组、C相绕组；第二三相绕组包括：E相绕组、F相绕组和D相绕组；其中，A相绕组与E相绕组、B相绕组与F相绕组、C相绕组与D相绕组之间具有相同的相位偏移角度；在线绕组重构：将A相绕组和E相绕组进行连接，得到A
‑
E绕组；将B相绕组和F相绕组进行连接，得到B
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F绕组；将C相绕组和D相绕组进行连接，得到C
‑
D绕组；在A
‑
E绕组连接点和B
‑
F绕组连接点之间，B
‑
F绕组连接点和C
‑
D绕组连接点之间分别设置可控开关，得到电机绕组拓扑；双三相结构：将电机绕组拓扑的两个可控开关连通，此时A相绕组、E相绕组、B相绕组、F相绕组、C相绕组和D相绕组具有共同的中性点，得到双三相结构；开绕组结构：将电机绕组拓扑的两个可控开关断开，此时A
‑
E绕组、B
‑
F绕组和C
‑
D绕组均相互独立，得到开绕组结构。2.根据权利要求1所述的一种双三相电机与开绕组电机在线切换拓扑，其特征在于，可控开关通过双向晶闸管进行设置。3.根据权利要求2所述的一种双三相电机与开绕组电机在线切换拓扑，其特征在于，还设置有逆变器I和逆变器II；A
‑
E绕组、B
‑
F绕组、C
‑
D绕组分别连接在逆变器I与逆变器II之间。4.一种双三相电机与开绕组电机在线控制方法，运用于如权利要求1至权利要求3任一项所述的一种双三相电机与开绕组电机在线切换拓扑中，其特征在于，在未发生故障时，通过控制两个可控开关的连通/断开，实现双三相模式/开绕组模式的工作模式自由切换。5.根据权利要求4所述的一种双三相电机与开绕组电机在线控制方法，其特征在于，在开绕组模式下，通过如下步骤进行功率调整：功率调整切换至开绕组模式；采集当前电机转速n，并设定参考电机转速n
*
；通过PI控制器进行转速偏差控制计算，并投射至d
‑
q平面，得到参考电流i
q*
和i
d*
；采集当前各相电流i
A
、i
B
、i
C
，并投射至d
‑
q平面，得到当前d
‑
q平面电流i
d
和i
q
；通过参考电流i
q*
和i
d*
、当前d
‑
q平面电流i
d
和i
q
通过无差拍控制算法得到参考电压u
q*
和u
d*
；将参考电压u
q*
和u
d*
平均分配至α1‑
β1坐标和α2‑
β2坐标，并使相位偏移角度保持180
°
相位差，得到α1‑
β1坐标的空间电压矢量U
α1
和U
β1
，α2‑
β2坐标的空间电压矢量U
α2
和U
β2
；将空间电压矢量U
α1
和U
β1
进行极坐标转换，得到V1和θ1；将空间电压矢量U
α2
和U
β2
进行极坐标转换，得到V2和θ2；将V1和θ1、V2和θ2分别进行空间矢量调制，并分别输入逆变器I和逆变器II；逆变器I和逆变器II分别根据输入的参考电压的比值调整功率比，完成一次功率调整。6.根据权利要求5所述的一种双三相电机与开绕组电机在线控制方法，其特征在于，在双三相模式下，通过如下步骤进行功率调整：功率调整切换至双三相模式；采集当前电机转速n，并设定参考电机转速n
*
；
通过PI控制器进行转速偏差控制计算，并投射至d
‑
q平面和x
‑
y平面，得到参考电流i
q*
、i
d*
、i
x*
和i
y*
；采集当前各相电流i
A
、i
B
、i
C
、i
D
、i
E
、i
F
，并投射至d
‑
q平面和x
‑
y平面，得到当前d
‑
q平面和x
‑
y平面电流i
d, i
q
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王学庆，沈健伟，洪森，任绍伟，马东辉，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：