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CN106208894A - 一种多相电机驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多相电机驱动系统，其包括若干多电平H桥功率单元并联构成，每个多电平H桥功率单元都包括两飞跨电容多电平电路和一个H桥电路；飞跨电容多电平电路的直流输入端串联后与外部直流供电电源连接，飞跨电容多电平电路的输出端分别与H桥电路的正极Xp和负极Xn连接，H桥电路的输出端X1和X2与多相电机连接；每个飞跨电容多电平电路均由若干串联的子模块构成，每一子模块均包括一桥臂和一电容；桥臂由两个开关器件串联构成，桥臂输入端与电容并联，位于两个开关器件之间设置有桥臂的输出端。本发明输出电平数多，需要的独立直流电源数量少，使用的器件数量少，综合使用不同的开关器件总体损耗小，适用于多相高速电机场合。

Description

一种多相电机驱动系统
技术领域
本发明涉及一种用于电机驱动的电力电子变换器，特别是指一种多相电机驱动系统。
背景技术
在航空航天、电动汽车、舰船综合电力系统等领域，高速、多相电机由于其体积小、功率密度高等优点得到越来越多的应用。一方面由于电机转速高，电流基波频率也随之提高，为了保证控制性能需要更高的开关频率，另一方面，随着电机容量越来越大，电压等级也越来越高，若采用传统两电平电路，现有开关器件难以同时满足高压大电流和高开关频率的要求，而多电平技术提供了一条很好的解决方案。多电平变换器具有输出电压谐波含量低、器件承受电压应力小等优点，因此非常适合电压等级高、基波频率高的场合
目前，工业中常见的多电平拓扑主要有二极管箝位型、飞跨电容型、H桥级联型拓扑等。其中，二极管箝位型三电平结构在工业中应用比较广泛，但当电平数进一步增加时存在二极管的数目大量增加以及母线中点电压难以平衡的问题。飞跨电容型多电平拓扑的主要缺点是箝位电容数量多，因此主要用于四电平及以下场合。而H桥级联型拓扑在高压多电平领域应用最为广泛，可以输出极高的电平数，其主要缺点是每个H桥单元必须使用独立电源供电，输出电平数越多需要的独立电源也越多，如图1所示。常用的方法是采用多绕组移相变压器供电，而这大大增加了系统的体积、重量和成本。
以上三种多电平拓扑均可用在高速多相电机驱动中，但二极管箝位型和飞跨电容型均难以扩展到更高电平，而H桥级联型则存在电平数越多需要的独立电源或者变压器副边绕组也越多的问题。为增加输出电平数同时省去多绕组变压器或者减少独立直流电源的数量，必须寻找更加经济实用的适合高速多相电机的电路拓扑结构。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种多相电机驱动系统，该系统能输出更多电平数，需要的独立直流电源数量少，使用的器件数量少，系统损耗小，效率高。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种多相电机驱动系统，其特征在于：该系统包括若干多电平H桥功率单元构成，每个所述多电平H桥功率单元都包括第一、第二两个飞跨电容多电平电路和一个H桥电路；第一、第二所述飞跨电容多电平电路的直流输入端串联后与外部直流供电电源连接，第一、第二所述飞跨电容多电平电路的输出端分别与所述H桥电路的正极Xp和负极Xn连接，所述H桥电路的输出端X1和X2与多相电机连接。
优选地，所述H桥电路中每个开关器件所承受电压与所述飞跨电容多电平电路中每个开关器件所承受电压关系为：假设其中第一所述飞跨电容多电平电路中电容Cp1和第二所述飞跨电容多电平电路中电容Cn1的电压都为E，则两个所述飞跨电容多电平电路中每个开关器件承受电压都为E，则第一所述飞跨电容多电平电路中电容Cpn和第二所述飞跨电容多电平电路中电容Cnn的电压为nE，直流母线电压为2nE，则所述H桥电路中每个开关器件承受电压为2nE。
优选地，每个所述多电平H桥功率单元输出的交流电压电平数L为：
L＝2m-1＝4k-3，
式中，k为每个所述飞跨电容多电平电路的电平数；m为所述H桥电路正极Xp和负极Xn之间的直流电压的电平数。
优选地，所述H桥电路采用混合调制策略，所述H桥电路由两个桥臂并联构成，每个所述桥臂由两个开关器件Sh1和Sh2串联构成或Sh3和Sh4串联构成；所述开关器件Sh1、Sh2、Sh3和Sh4工作在基波频率：当输出电压为正时，所述开关器件Sh1和Sh4导通；当输出电压为负时，所述开关器件Sh2和Sh3导通。
优选地，所述开关器件Sh1、Sh2、Sh3和Sh4都采用高压开关器件或都采用由低压开关器件串联构成。
优选地，第一、第二所述飞跨电容多电平电路都采用载波移相PWM调制方式，所述飞跨电容多电平电路中的每个开关器件的工作频率都为载波频率。
优选地，所述飞跨电容多电平电路的开关器件采用低压开关器件。
优选地，对于开绕组多相电机，采用单一直流母线供电，每个所述多电平H桥功率单元驱动一个电机绕组，所有所述多电平H桥功率单元的正负直流母线以及母线N中点直接并联在一起。
优选地，对于共中性点多相电机，每个所述多电平H桥功率单元必须采用一个独立直流电源供电，对于n相电机则需要n个独立电源供电，所有所述多电平H桥功率单元的输出端X1并联在一起，输出端X2连接到共中性点多相电机的输入端。
优选地，对于部分开绕组多相电机，若有n套独立绕组，每套独立绕组包括m个共中性点绕组，则该电机一共有m*n相，设置m*n个所述多电平H桥功率单元，每个独立直流电源给每套独立绕组中的一个所述多电平H桥功率单元供电，一共需要m个独立直流电源。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用了一种可变直流电压的H桥电路，每相输出电平数更多，输出电压谐波小，适用于基波频率高的高速电机场合。2、由于本发明可以使用开绕组或部分开绕组电机，可以采用单一直流电源或者较少的独立直流电源供电，易于扩展更多相负载，适用于多相电机驱动。3、由于本发明同时采用低压高速开关器件和高压器件，综合利用了低压器件开关频率高和高压器件通态损耗小的优点，系统损耗小，效率高。4、由于本发明采用混合调制策略，低压高速器件采用载波移相PWM控制，开关频率高，高压器件采用基波调制工作在基波频率，而且始终工作在零电压开通和零电压关断条件下，开关频率低开关损耗小。本发明较为适用于多相高速电机场合中。
附图说明
图1是现有技术中H桥级联型多电平变换器结构示意图；
图2是本发明的多电平H桥功率单元结构示意图；
图3是本发明中单一直流电源供电的多电平H桥驱动多相开绕组电机结构示意图；
图4是本发明中多个独立直流电源供电的多电平H桥驱动共中性点多相电机结构示意图；
图5是本发明中多个独立直流电源供电的多电平H桥驱动部分开绕组多相电机结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图2所示，本发明提供一种多相电机驱动系统，其由若干多电平H桥功率单元构成，每个多电平H桥功率单元都包括第一、第二两个飞跨电容多电平电路1和一个H桥电路2。第一、第二飞跨电容多电平电路1的直流输入端串联后与外部直流供电电源连接，第一、第二飞跨电容多电平电路1的输出端分别与H桥电路的正极Xp和负极Xn连接，H桥电路的输出端X1和X2与多相电机连接，用于驱动多相电机工作。
上述实施例中，第一、第二飞跨电容多电平电路1结构相同，每个飞跨电容多电平电路1均由若干串联的子模块构成，每一子模块均包括一桥臂和一电容。桥臂由两个开关器件串联构成，桥臂输入端与电容并联，位于两个开关器件之间设置有桥臂的输出端。为了便于描述，现定义如下：第一飞跨电容多电平电路1中的电容为Cpn，开关器件为Spn；第二飞跨电容多电平电路1中的电容为Cnn，开关器件为Snn，其中n为自然数，n＝1,2,3，……。
上述各实施例中，H桥电路2由两个桥臂并联构成，每个桥臂均由两个开关器件Sh1和Sh2(或Sh3和Sh4)串联构成。
上述各实施例中，每个多电平H桥功率单元输出的交流电压电平数L为：
L＝2m-1＝4k-3，
式中，k为每个飞跨电容多电平电路1的电平数；m为H桥电路正极Xp和负极Xn之间的直流电压的电平数。
上述各实施例中，H桥电路2中每个开关器件所承受电压与飞跨电容多电平电路1中每个开关器件所承受电压关系为：假设其中第一飞跨电容多电平电路1中电容Cp1和第二飞跨电容多电平电路1中电容Cn1的电压都为E，则两个飞跨电容多电平电路1中每个开关器件承受电压都为E，此时第一飞跨电容多电平电路1中电容Cpn和第二飞跨电容多电平电路1中电容Cnn的电压为nE，直流母线电压为2nE，则H桥电路2中每个开关器件承受电压为2nE。
上述各实施例中，H桥电路2采用混合调制策略，开关器件Sh1、Sh2、Sh3和Sh4工作在基波频率：假设输出电压为Ux12，当输出电压Ux12为正时，H桥电路2中开关器件Sh1和Sh4导通；当输出电压Ux12为负时，H桥电路2中开关器件Sh2和Sh3导通。H桥电路2承受较高的电压，但工作在基波频率，开关器件可以采用高压IGBT或高压IGCT器件。由于H桥电路2工作在基波频率，只有当要求输出电压正负极性发生变化时也即输出电压过零时切换四个开关器件的工作状态，因此开关器件Sh1、Sh2、Sh3和Sh4始终工作在零电压开通和零电压关断的条件，还可以采用低压器件直接串联代替高压器件，此时不存在直接串联器件由于开通或关断不同步造成的承受电压不均的问题，比如可以采用低压Mosfet串联代替高压IGBT，或者采用低压IGBT串联代替高压IGCT，以降低成本。
上述各实施例中，第一、第二飞跨电容多电平电路1都采用载波移相PWM调制方式，每个开关器件的工作频率都为载波频率。因此第一、第二飞跨电容多电平电路1的开关器件工作在高开关频率下，但承受很低的电压，可以采用低压Mosfet器件或低压IGBT。
实施例1：如图3所示，对于开绕组多相电机，可以采用单一直流母线供电，此时每个多电平H桥功率单元驱动一个电机绕组，所有多电平H桥功率单元的正负直流母线以及母线N中点直接并联在一起。
实施例2：如图4所示，对于共中性点多相电机，每个多电平H桥功率单元必须采用一个独立直流电源供电，对于n相电机则需要n个独立电源供电，所有多电平H桥功率单元的输出端X1并联在一起，输出端X2连接到共中性点多相电机的输入端。由于每个多电平H桥功率单元输出电平数多，与传统H桥级联多电平相比，输出同样电平数的时候需要的独立直流电源数量大大减少。
实施例3：如图5所示，对于部分开绕组多相电机，假设其有n套独立绕组，每套独立绕组包括m个共中性点绕组，则该电机一共有m*n相，设置m*n个多电平H桥功率单元，每个独立直流电源给每套独立绕组中的一个多电平H桥功率单元供电，则一共需要m个独立直流电源。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种多相电机驱动系统，其特征在于：该系统包括若干多电平H桥功率单元构成，每个所述多电平H桥功率单元都包括第一、第二两个飞跨电容多电平电路和一个H桥电路；第一、第二所述飞跨电容多电平电路的直流输入端串联后与外部直流供电电源连接，第一、第二所述飞跨电容多电平电路的输出端分别与所述H桥电路的正极Xp和负极Xn连接，所述H桥电路的输出端X1和X2与多相电机连接。
2.如权利要求1所述的一种多相电机驱动系统，其特征在于：所述H桥电路中每个开关器件所承受电压与所述飞跨电容多电平电路中每个开关器件所承受电压关系为：假设其中第一所述飞跨电容多电平电路中电容Cp1和第二所述飞跨电容多电平电路中电容Cn1的电压都为E，则两个所述飞跨电容多电平电路中每个开关器件承受电压都为E，则第一所述飞跨电容多电平电路中电容Cpn和第二所述飞跨电容多电平电路中电容Cnn的电压为nE，直流母线电压为2nE，则所述H桥电路中每个开关器件承受电压为2nE。
3.如权利要求1所述的一种多相电机驱动系统，其特征在于：每个所述多电平H桥功率单元输出的交流电压电平数L为：
L＝2m-1＝4k-3，
式中，k为每个所述飞跨电容多电平电路的电平数；m为所述H桥电路正极Xp和负极Xn之间的直流电压的电平数。
4.如权利要求1所述的一种多相电机驱动系统，其特征在于：所述H桥电路采用混合调制策略，所述H桥电路由两个桥臂并联构成，每个所述桥臂由两个开关器件Sh1和Sh2串联构成或Sh3和Sh4串联构成；所述开关器件Sh1、Sh2、Sh3和Sh4工作在基波频率：当输出电压为正时，所述开关器件Sh1和Sh4导通；当输出电压为负时，所述开关器件Sh2和Sh3导通。
5.如权利要求4所述的一种多相电机驱动系统，其特征在于：所述开关器件Sh1、Sh2、Sh3和Sh4都采用高压开关器件或都采用由低压开关器件串联构成。
6.如权利要求1所述的一种多相电机驱动系统，其特征在于：第一、第二所述飞跨电容多电平电路都采用载波移相PWM调制方式，所述飞跨电容多电平电路中的每个开关器件的工作频率都为载波频率。
7.如权利要求6所述的一种多相电机驱动系统，其特征在于：所述飞跨电容多电平电路的开关器件采用低压开关器件。
8.如权利要求1所述的一种多相电机驱动系统，其特征在于：对于开绕组多相电机，采用单一直流母线供电，每个所述多电平H桥功率单元驱动一个电机绕组，所有所述多电平H桥功率单元的正负直流母线以及母线N中点直接并联在一起。
9.如权利要求1所述的一种多相电机驱动系统，其特征在于：对于共中性点多相电机，每个所述多电平H桥功率单元必须采用一个独立直流电源供电，对于n相电机则需要n个独立电源供电，所有所述多电平H桥功率单元的输出端X1并联在一起，输出端X2连接到共中性点多相电机的输入端。
10.如权利要求1所述的一种多相电机驱动系统，其特征在于：对于部分开绕组多相电机，若有n套独立绕组，每套独立绕组包括m个共中性点绕组，则该电机一共有m*n相，设置m*n个所述多电平H桥功率单元，每个独立直流电源给每套独立绕组中的一个所述多电平H桥功率单元供电，一共需要m个独立直流电源。
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