[发明专利]一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法

说明书

一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法，是用于整流级使用单相二极管整流桥，逆变级使用三相逆变桥，直流链使用一个直流链开关管与一个直流链电容串联的拓扑结构的调制，调制方法为在每个控制周期判断单相二极管整流桥输出电压|u_s|所属区域，当单相二极管整流桥输出电压|u_s|进入区域1时，在区域1仅控制三相逆变桥六个开关管中的一个开关管以不定频率斩波，而当单相二极管整流桥输出电压|u_s|进入区域2时，仅控制与直流链电容串联的直流链开关管以不定频率斩波。本发明的一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法，在避免直流链开关管和逆变桥开关管同时斩波，在不增加变流器总开关次数的前提下，同时保证直流链开关管斩波。

技术领域

本发明涉及一种无刷直流电机系统。特别是涉及一种直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法。

背景技术

无刷直流电机具有结构简单，功率密度高等优势。在由单相交流电源供电的无刷直流电机系统中，单相二极管整流桥的输出端一般需要配置一个大容量电解电容，以维持直流链电压的平稳。但是，大容量电解电容会增大系统的体积和重量，降低无刷直流电机系统变流器的功率密度。

围绕大容量电解电容带来的问题，直流链无电容拓扑结构成为近年来的研究方向，矩阵变换器是一种较为典型的无电容交交变换器。但是，矩阵变换器需要较多功率开关，控制系统较复杂，在单相交流电源供电的电机系统中应用有限。基于单相二极管整流桥和三相逆变桥，新西兰学者H.K.Samitha Ransara和U.K.Madawala选择直接去除直流链电容环节，从而有效压缩了系统体积。但是，二极管整流桥输出电压为波动量，不能在全周期满足电机所需电压，特别是电网电压过零点附近，电机电流易出现较大波动。

针对单相交流电源供电的电机系统，为了兼顾电机运行性能好及变流器功率密度高两个目标，减小直流链电容容量的变流器设计和控制方法已得到广泛关注。图1给出了整流级使用单相二极管整流桥，逆变级使用三相逆变桥，直流链使用一个直流链开关管与一个直流链电容串联的拓扑结构，与传统三相六开关逆变器相比，增加的直流链开关管为系统提供了新的控制自由度。

围绕图1所示拓扑结构，新西兰学者H.K.Samitha Ransara和U.K.Madawala提出了相应的调制方法(IEEE Trans.Ind.Electron.，vol.62，no.10，pp.6171-6182，2015年10月.)，该方法在二极管整流桥输出电压不能满足无刷直流电机电压需求时，开通直流链开关管，将电容切入直流链，反之则关断直流链开关管，由于直流链储能电容仅在电网周期的部分区间连续输出能量，直流链储能电容的容量得以降低。

基于图1所示拓扑结构，通过为直流链开关引入固定开关频率的调制策略，2017年夏长亮教授提出的调制方法(IEEE J.Emerg.Sel.Topics Power Electron.，vol.5，no.3，pp.1192-1204，2017年9月.)进一步降低了直流链电容的容量。但是，该方法使用两个控制器对直流链平均电压和电机转速进行分别控制，需要直流链开关管和三相逆变桥开关管以固定开关频率同时斩波，故增加了开关损耗，一定程度影响了变流器效率。

为了降低变流器的开关损耗，需要尽可能减少变流器总开关次数。然而，为了在新西兰学者H.K.Samitha Ransara和U.K.Madawala提出方法的基础上，进一步降低直流链电容的容量，则应进一步减少直流链电容的放电时间，即应控制直流链开关管斩波，避免直流链电容连续放电。现有文献提出的两种方法未能同时满足上述两个目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够在避免直流链开关管和逆变桥开关管同时斩波，在不增加变流器总开关次数的前提下，同时保证直流链开关管斩波的直流链采用小电容的无刷直流电机系统的调制方法。