一种变频变电压的永磁同步电机控制方法技术

本发明专利技术涉及电机控制技术领域，且公开了一种变频变电压的永磁同步电机控制方法，包括以下步骤：第一步：建立隐极式永磁同步电机模型和基于输出周期的IGBT损耗模型，并建立两者关系；第二步：以逆变器输出电流质量为约束条件，以逆变器开关频率和直流母线电压为约束变量建立优化目标；第三步：应用最优化的方法得出基于输出周期的IGBT损耗最低的开关频率和直流母线电压，该变频变电压的永磁同步电机控制方法，优化了电机的直流母线电压和开关频率，能够最大程度降低IGBT损耗，从而明显降低IGBT的结温，提高其使用寿命。提高其使用寿命。提高其使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种变频变电压的永磁同步电机控制方法


[0001]本专利技术涉及电机控制
，具体为一种变频变电压的永磁同步电机控制方法。

技术介绍

[0002]目前，三相电压源逆变器由于易操作、易控制、易实现的特点广泛地应用于变速驱动、有源电力滤波器和不间断电源等领域，成为最常用的电力电子变换器之一。鉴于电压矢量脉宽调制(SVPWM)调制比高和输出波形好，三相电压源逆变器通常采用SVPWM调制方法。一般的SVPWM开关频率和直流母线电压固定，但简单地将这两个参数设定为固定值降低了电压利用率，增加了三相电压源逆变器的损耗，使逆变器工作在较高的结温环境下。相关研究表明，逆变器近60％的故障是由结温较高引起的：逆变器温度每上升10℃，其故障率增加1倍；较高的结温也会加速IGBT的老化，降低逆变器的可靠性。
[0003]当前的技术方案中只有对电机控制系统中逆变器的开关频率或直流母线电压单独进行优化的方法，来降低逆变器的结温，提高可靠性。如以逆变器输出电流纹波有效值为约束条件、开关损耗为目标函数，得到可变开关频率以减少开关损耗，其开关频率仅与开关损耗相关，只对开关损耗进行优化，没有考虑到IGBT总损耗，无法使IGBT总损耗优化到最小。再如采用直流母线电压自适应控制器获得最优直流母线电压，其只优化了输出电流的质量，没有考虑IGBT总损耗，可能会引起总损耗变大，综上我们提出了一种变频变电压的永磁同步电机控制方法。

技术实现思路

[0004](一)解决的技术问题
[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种变频变电压的永磁同步电机控制方法，解决了上述的问题。
[0006](二)技术方案
[0007]为实现上述所述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种变频变电压的永磁同步电机控制方法，包括以下步骤：
[0008]第一步：建立隐极式永磁同步电机模型和基于输出周期的IGBT损耗模型，并建立两者关系；
[0009]第二步：以逆变器输出电流质量为约束条件，以逆变器开关频率和直流母线电压为约束变量建立优化目标；
[0010]第三步：应用最优化的方法得出基于输出周期的IGBT损耗最低的开关频率和直流母线电压。
[0011]优选的，第一步的具体内容为：
[0012]S1：建立电机在d
‑
q轴的电压方程
[0013][0014]并且
[0015]v
qs
和v
ds
是定子电压，i
qs
和i
ds
是定子电流，R
q
和R
d
是定子绕阻，ω
er
是转子电角速度，p是微分算子，λ
qs
和λ
ds
是定子磁链，λ
f
是转子磁体的磁链；
[0016]电机稳定情况下pi
qs
和pi
ds
可设为0，定子相电压幅值可表示为：
[0017]d
‑
q轴电流满足其中，I
max
是定子相电流的幅值，在最大加速度情况下i
qs
＝
max
，令
[0018]将V
cp
加上定子相电压幅值得其中，是定子相电流幅值，电机电磁转矩为
[0019]P
n
为极对数；
[0020]因此
[0021]S2：IGBT的损耗P
IGBT
分为导通损耗和开关损耗基于SVPWM调制方法逆变器中的IGBT的占空比为：
[0022][0023]其中，为功率因数角，调制因数式中，V
dc
为逆变器的直流侧电压；
[0024]单个输出周期的导通损耗和开关损耗为：
[0025][0026][0027]f
sw
为开关频率，V
ce
(t)和I
ce
(t)分别为通态压降和通态电流，E
(+off)nom
、V
nom
和I
nom
分别为IGBT特定测试条件下的开通关断损耗之和、电压和电流，V
ce
(t)＝I
ce
(t)r
co
+V
ce0
，式中r
co
为IGBT的等效导通电阻，V
ce0
为初始导通压降；
[0028]通态电流为：
[0029][0030]其中，θ＝ω
er
t，单个输出周期的IGBT损耗为：
[0031][0032]其中，和是关于参考角θ和功率因数角的开关频率函数和直流母线电压函数，由此建立了隐极式永磁同步电机定子相电流和IGBT损耗的关系。
[0033]优选的，第二步的具体内容为：
[0034]S1：对单个输出周期的IGBT损耗的开关频率和直流母线电压进行优化可以得到单个输出周期内优化的P
IGBT
值；
[0035]S2：将电机相电流的谐波畸变限制在一定范围内，相电流谐波畸变率标注为H，其中H＝Δ
ims
/I1，Δ
ims
电流纹波有效值，I1为输出基波电流有效值；
[0036]S3：基于戴维南等效定理计算电流纹波，计算出整个输出周期的电流纹波有效值如下
[0037]S4：将P
IGBT
积分形式转换为级数形式：
[0038][0039]其中，i＝0,
…
,N，N表示将[0，2π]划分为个N小区间。
[0040]S5：电机能够正常运行的最低直流母线电压为满足对于开关频率，设置一个开关频率阈值f0，获得如下优化目标：
[0041][0042][0043][0044][0045]其中，Y是在电机额定直流母线电压和固定开关频率条件下由得到的输出周期电流纹波有效值；
[0046]V
s
和为同样条件下的定子相电流、相电压幅值和功率因数角；
[0047]和为不同θ
i
对应的直流母线电压和开关频率。
[0048]优选的，第三步的具体内容为：
[0049]S1：搭建隐极式永磁同步电机模型，以额定直流母线电压和固定开关频率稳定运
行时，从Scope模块中得到电机的V
s
、和m，再通过得到Y；
[0050]S2：在IGBT器件手册中获得特定测试条件下的获得V
nom
、I
nom
、r
co
和V
ce0
；
[0051]S3：把目标函数的积分形式转化为求和形式，再将目标函数和约束条件代入Matlab优化工具箱获得
[0052]S4：将不同θ
i
的电压值求和并取平均值得到电压V
dc
‑
opt
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变频变电压的永磁同步电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：建立隐极式永磁同步电机模型和基于输出周期的IGBT损耗模型，并建立两者关系；第二步：以逆变器输出电流质量为约束条件，以逆变器开关频率和直流母线电压为约束变量建立优化目标；第三步：应用最优化的方法得出基于输出周期的IGBT损耗最低的开关频率和直流母线电压。2.根据权利要求1所述的一种变频变电压的永磁同步电机控制方法，其特征在于：第一步的具体内容为：S1：建立电机在d
‑
q轴的电压方程并且v
qs
和v
ds
是定子电压，i
qs
和i
ds
是定子电流，R
q
和R
d
是定子绕阻，ω
er
是转子电角速度，p是微分算子，λ
qs
和λ
ds
是定子磁链，λ
f
是转子磁体的磁链；电机稳定情况下pi
qs
和pi
ds
可设为0，定子相电压幅值可表示为：d
‑
q轴电流满足其中，I
max
是定子相电流的幅值，在最大加速度情况下i
qs
＝I
max
，令将V
cp
加上定子相电压幅值得其中，是定子相电流幅值，电机电磁转矩为P
n
为极对数；因此S2：IGBT的损耗P
IGBT
分为导通损耗和开关损耗基于SVPWM调制方法逆变器中的IGBT的占空比为：其中，为功率因数角，调制因数式中，V
dc
为逆变器的直流侧电压；单个输出周期的导通损耗和开关损耗为：
f
sw
为开关频率，V
ce
(t)和I
ce
(t)分别为通态压降和通态电流，E
(on+off)nom
、V
nom
和I
nom
分别为IGBT特定测试条件下的开通关断损耗之和、电压和电流，V
ce
(t)＝I
ce
(t)r
co
+V
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨红，杨帆，杨汝，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：