[发明专利]开绕组永磁同步电机串联补偿矢量控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机的控制系统，尤其涉及一种开绕组永磁同步电机的串联补偿矢量控制系统及控制方法。

背景技术

永磁电机因其在效率、功率密度、体积及重量等方面所具有的独特优势，已成为现代电力牵引系统中电机本体的优选方案。但由于采用永磁体励磁，永磁电机存在弱磁升速困难、运行范围较窄的问题。为使其在电动汽车、电动舰船等电力牵引场合得到更好的应用，常规方法是对电机本体设计进行改进，改进方案在一定程度上可达到调节电机磁场的目的，但同时也不同程度地导致了电机效率、功率密度的下降以及体积、成本的增加，降低了永磁电机原有的优越性能。因此必须寻求一种既能保持永磁电机原有优异性能，又能方便实现弱磁扩速运行的一种电机系统。

开绕组永磁同步电机的构成无需改变永磁电机原有的电磁设计与机械结构，仅需将常规Y接的定子绕组中点打开，两端各串接一个变换器，而形成的一种双变换器串联的定子绕组双端口供电的电机驱动系统拓扑结构。早期对开绕组电机系统的研究，主要是通过定子绕组两端变换器串联的方式来分担系统功率，而获得多电平的供电效果，以满足大功率场合的应用需求，通常两变换器均由直流电源供电，控制方法也与常规单变换器驱动电机控制方法类似。近年也有对开绕组永磁电机系统中两个串联变换器的独立目标控制以实现带储能装置的混合动力汽车中主供电电源和储能装置之间能量的合理分配，以及在可再生能源发电和车载启动/发电机中作为发电的应用研究。

总体来说，如将开绕组永磁同步电机系统中两个变换器视为一个整体，则两串联变换器功能相同，可提供多电平变换器的供电性能，可提高系统功率等级并提供硬件冗余；如独立考虑两个变换器，则两个变换器可视为一个控制用的主变换器和一个协助控制用的补偿变换器，可仅用一个电源对主变换器供电进行开绕组电机的驱动控制，而补偿变换器连接电容作为主变换器驱动永磁同步电机系统的串联补偿装置，为电机提供功率补偿。通过对主变换器和补偿变换器进行有效的协同控制，有效提升原有有限电源条件下的电机控制系统的运行范围和运行性能。

发明内容

本发明针对有限电源条件下常规永磁同步电机系统运行范围较小，控制性能不够高的问题，提供了一种开绕组永磁同步电机串联补偿矢量控制系统及控制方法，本发明实现了有限电源条件下永磁同步电机运行范围和运行性能的提高。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种开绕组永磁同步电机串联补偿矢量控制系统，该系统由直流电源、主变换器、开绕组永磁同步电机、补偿变换器、供电电容、定子电流传感器、电容电压传感器、速度传感器和控制器等组成；其中，开绕组永磁同步电机的定子绕组的首端通过主变换器与直流电压源连接，为开绕组永磁同步电机供电，开绕组永磁同步电机的定子绕组的末端串接一个补偿变换器，补偿变换器与供电电容相连，由供电电容供电；定子电流传感器安装在开绕组永磁同步电机的定子绕组首端，速度传感器固定在开绕组永磁同步电机的转轴上；控制器分别与电流传感器、速度传感器、电容电压传感器、主变换器和补偿变换器相连；电流传感器和速度传感器、电容电压传感器将检测到的信号传送给控制器，控制器根据接收的信号产生控制信号并输出到主变换器和补偿变换器的控制端，从而控制主变换器和补偿变换器的开关状态；通过对主变换器和辅助变换器的协同控制使开绕组永磁同步电机工作在功率因数为或者接近；通过对辅助变换器的控制改变开绕组永磁同步电机的阻抗特性以增大弱磁工作区，提高电机的运行范围。

一种应用上述系统的开绕组永磁同步电机串联补偿矢量控制方法，包括如下步骤：

（1）采集电压信号、电流信号和转速信号：利用电流传感器采集永磁同步电机的三相定子电流信号i_a，i_b，i_c，利用电压传感器采集补偿变换器的直流母线电压，即供电电容的反馈电压V_dc2。利用速度传感器得到转子的转速ω_r。

（2）电流变换，计算电流矢量以及超前α轴的夹角θ_i：将步骤1采集到的三相定子电流信号i_a，i_b，i_c通过控制器的电流反馈模块得到两相dq坐标系中d轴电流分量i_d、q轴电流分量i_q以及电流矢量超前α轴的夹角θ_i。

三相/两相坐标变换为恒幅值变换，由下式实现：