CN106972802A - 控制电机驱动系统直流母线电压的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用电励磁电机励磁绕组控制电机驱动系统直流母线电压的方法和装置，包括：第一直流母线，第二直流母线，直流‑直流功率变换器和电励磁电机，其中第一直流母线通过直流‑直流功率变换器与第二直流母线相连，直流‑直流功率变换器将电励磁电机励磁绕组作为其电感，若电励磁电机为交流电机，第二直流母线通过直流‑交流功率变换器与电机电枢绕组连接，若电励磁电机为直流电机，第二直流母线直接通过电刷与电机电枢绕组连接。电励磁电机励磁绕组为电机建立磁场的同时，还作为直流‑直流功率变换器的电感。不需要额外的直流‑直流功率变换器电感，就可以调节系统直流母线电压。这增加了系统的功率密度，增强了可靠性，并降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及电机驱动系统，具体涉及到一种可以提高驱动系统功率密度，增强系统可靠性，降低系统成本的电机驱动系统直流母线电压的方法和装置。
背景技术
在电动汽车，电动工具，家用电器以及工业应用等领域，为了提高电机驱动系统的效率以及拓宽调速范围，需要可变的电机驱动系统直流母线电压。
通常的实现方法是使用直流-直流功率变换器来控制直流母线电压。但上述直流-直流功率变换器需要额外的电感器件。上述额外的电感器件体积和重量大，降低了系统的功率密度；额外的电感器件增加了系统元器件的数量，降低了系统可靠性；同时额外的电感器件还提高了系统的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种利用电励磁电机励磁绕组控制电机驱动系统直流母线电压的方法和装置，以增加系统功率密度，降低系统成本，提高系统可靠性。
根据本发明的一示例性实施例，利用电励磁电机励磁绕组控制电机驱动系统直流母线电压的方法和装置，包括：第一直流母线，第二直流母线，直流-直流功率变换器，电励磁电机；
所述第一直流母线通过直流-直流功率变换器与第二直流母线传递能量；
所述直流-直流功率变换器利用电励磁电机励磁绕组作为电感，调节能量在所述第一直流电压母线和所诉第二直流电压母线之间的流动，进而调节所述第一直流电压母线电压或所述第二直流母线电压；
所述电励磁电机励磁绕组同时激励所述电励磁电机的磁场；
所述第二直流母线通过功率变换器与电励磁电机电枢绕组相连，或者直接与电励磁电机电枢绕组相连并传递能量，使电机运行于电动或发电状态。
结合本发明的实施例，所述的直流-直流功率变换器由半导体开关器件，电容器件以及电感器件组成。
所述的电感器件部分或全部由上述电励磁电机励磁绕组构成。
所述的半导体开关器件至少为下列之一：双极结型晶体管，金属氧化物半导体场效应晶体管，绝缘栅双极型晶体管，集成门极换流双极结型晶体管，碳化硅晶体管，氮化镓晶体管，二极管，晶闸管，门极可关断晶闸管。
结合本发明的实施例，直流-直流功率变换器可能实现方式为下列之一或者两个及以上下列功率变换器组合而成的混合式直流-直流功率变换器：升压型直流-直流功率变换器，降压型直流-直流功率变换器，降压升压型直流-直流功率变换器，双向直流-直流功率变换器，CUK直流-直流功率变换器，Z源直流-直流功率变换器，反激式直流-直流功率变换器，正激式直流-直流功率变换器，半桥式直流-直流功率变换器，全桥式直流-直流功率变换器，推挽式直流-直流功率变换器，交错式直流-直流功率变换器，电感抽头式直流-直流功率变换器。
结合本发明的实施例，电励磁电机可能实现方式为下列之一：交流电励磁电机、直流电励磁电机。
上述交流电励磁电机的可能实现方式为下列之一：磁通切换电机，变磁通磁阻电机，定子双馈双凸极电机，定子电励磁同步电机，转子电励磁同步电机。
上述交流电励磁电机的可能实现方式还包括对应的单相电机和多相电机。
所述电励磁电机还包括对应的励磁绕组与永磁体混合励磁型电机，旋转电机以及直线电机。
所述电励磁电机励磁绕组由一个或多个绕组组成，它们部分或全部与所述直流-直流功率变换器连接。
结合本发明的实施例，若电励磁电机的实现方式为交流电励磁电机，则第二直流母线通过下列功率变换器之一与所述交流电励磁电机电枢绕组传递能量：半桥功率变换器，全桥功率变换器，多电平功率变换器，软开关功率变换器，维也纳功率变换器
结合本发明的实施例，若所述电励磁电机为直流电励磁电机，则所述第二直流母线通过电刷直接与所述电励磁直流电机的电枢绕组相连，并与所述电励磁电机电枢绕组传递能量。
结合本发明的实施例，所述电励磁电机的励磁绕组一方面被用来建立电机磁场，同时在另一方面也作为直流-直流功率变换器的电感。
根据本发明实施例的电励磁电机系统直流母线电压控制装置，在利用电励磁电机励磁绕组为电机建立磁场的同时，还将其作为直流-直流功率变换器的电感。电励磁电机与直流-直流功率变换器通过共享电励磁绕组实现了功能化集成。直流-直流功率变换器在不需要额外的电感的条件下就可以实现电励磁电机系统直流母线电压调节功能。这有效增加了系统的功率密度，增强了系统的可靠性，并降低了系统的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个实施例提供的交流电励磁电机驱动系统的结构示意图；
图2为本发明另一个实施例提供的基于双向直流-直流功率变换器和双电平功率变换器的交流电励磁磁通切换电机系统的原理图；
图3为本发明另一个实施例提供的基于双向直流-直流功率变换器和双电平功率变换器的交流电励磁磁通切换电机系统在电动模式时的波形图；
图4为本发明另一个实施例提供的基于双向直流-直流功率变换器和双电平功率变换器的交流电励磁磁通切换电机系统在发电模式时的波形图；
图5为本发明另一个实施例提供的电励磁直流电机驱动系统的结构示意图；
图6为本发明的另一个实施例提供的基于降压升压直流-直流功率变换器的电励磁直流电机驱动系统的原理图；
图7为本发明另一个实施例所提供的基于降压升压直流-直流功率变换器的电励磁直流电机驱动系统在D=0.6时的波形图；
图8为本发明另一个实施例所提供的基于降压升压直流-直流功率变换器的电励磁直流电机驱动系统在D=0.3时的波形图。
具体实施方式景
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一个实施例提供的交流电励磁电机驱动系统的结构示意图。本实施例提供的交流电励磁电机驱动系统，包括：直流-直流功率变换器102，直流-交流功率变换器104和交流电励磁电机105。
图1所示实施例中，直流-直流功率变换器102的一端与第一直流母线连接101，另一端与第二直流母线连接103。直流-直流功率变换器102的电感为交流电励磁电机的励磁绕组106。直流-交流功率变换器102的直流端与第二直流母线103连接，交流端与交流电励磁电机105的电枢绕组连接。励磁绕组106是交流电励磁电机105的一部分。
通过调节直流-直流功率变换器102中半导体开关器件的占空比，进而调节交流电励磁电机励磁绕组106电流，达到控制第一直流母线101电压或第二直流母线103电压的作用。使用脉宽调制技术控制直流-交流功率变换器104的半导体开关器件，通过调整第二直流母线103与电励磁电机电枢绕组的能量相互传递，实现电机的电动或发电运行。
优选的，上述半导体开关器件至少为下列之一：
双极结型晶体管，金属氧化物半导体场效应晶体管，绝缘栅双极型晶体管，集成门极换流双极结型晶体管，碳化硅晶体管，氮化镓晶体管，二极管，晶闸管，门极可关断晶闸管。
优选的，图1中的直流-直流功率变换器102为下列之一或者两个及以上下列功率变换器组合而成的混合式直流-直流功率变换器：升压型直流-直流功率变换器，降压型直流-直流功率变换器，降压升压型直流-直流功率变换器，双向直流-直流功率变换器，CUK直流-直流功率变换器，Z源直流-直流功率变换器，反激式直流-直流功率变换器，正激式直流-直流功率变换器，半桥式直流-直流功率变换器，全桥式直流-直流功率变换器，推挽式直流-直流功率变换器，交错式直流-直流功率变换器，电感抽头式直流-直流功率变换器。
优选的，图1中的直流-交流功率变换器104为下列之一或两个及以上下列功率变换器组合而成的直流-交流功率变换器：半桥功率变换器，全桥功率变换器，多电平功率变换器，软开关功率变换器，维也纳功率变换器。
优选的，图1中的交流电励磁电机105包括磁通切换电机、变磁通磁阻电机、定子双馈双凸极电机、定子电励磁同步电机、转子电励磁同步电机，以及对应的由电励磁绕组以及永磁体共同励磁的混合励磁磁通切换电机、混合励磁变磁通磁阻电机、混合励磁定子双馈双凸极电机、定子混合励磁同步电机、转子混合励磁同步电机。
在本实施例中，交流电励磁电机励磁绕组和直流-直流功率变换器电感为同一个绕组，该绕组在为交流电励磁电机激励磁场的同时，还作为直流-直流功率变换器的电感。在没有额外电感的情况下实现了系统直流母线电压的控制。由于减少了额外电感的使用，该实施例提高了系统的功率密度，降低了成本，强化了系统的可靠性。
进一步，图2为本发明的另一个实施例提供的基于双向直流-直流功率变换器和双电平功率变换器的交流电励磁磁通切换电机系统的原理图。
本实施例由双向直流-直流功率变换器，双电平直流-交流功率变换器以及电励磁磁通切换电机构成。
优选的，图2中，202、203、206、207、208、209、210和211为由绝缘栅双极型晶体管(IGBT)与二极管反向并联而成的半导体开关单元。这里所描述的实施例采用IGBT可控开关，然而这里所描述的方法和装置不限于这种类型的可控开关，其他类型可控开关也适用。
其中双向直流-直流功率变换器由交流电励磁磁通切换电机励磁绕组212，功率开关单元202和203以及电容204构成。交流电励磁磁通切换电机励磁绕组212一端与第一直流母线201的正极相连，另一端与半导体开关单元202中IGBT的发射极相连。半导体开关单元202的集电极与第二直流母线205的正极相连。半导体开关单元203中IGBT的集电极与半导体开关单元202中IGBT的发射极相连。半导体开关单元203中IGBT的发射极与第一直流母线201的负极相连。电容204正极与第二直流母线205正极连接，电容204负极与第二直流母线205负极连接。第一直流母线201与第二直流母线205共用同一个负极。
双电平直流-交流功率变换器由3个桥臂组成。
半导体开关单元206和207构成A相桥臂，半导体开关单元206中IGBT的集电极与第二直流母线205正极相连，半导体开关单元207中IGBT的发射极与第二直流母线205负极相连。半导体开关单元206和207的连接点与交流电励磁磁通切换电机的A相电枢绕组相连。
半导体开关单元208和209构成B相桥臂，半导体开关单元208中IGBT的集电极与第二直流母线205正极相连，半导体开关单元209中IGBT的发射极与第二直流母线205负极相连。半导体开关单元208和209的连接点与交流电励磁磁通切换电机的B相电枢绕组相连。
半导体开关单元210和211构成C相桥臂，半导体开关单元210中IGBT的集电极与第二直流母线205正极相连，半导体开关单元211中IGBT的发射极与第二直流母线205负极相连。半导体开关单元210和211的连接点与交流电励磁磁通切换电机的C相电枢绕组相连。
图2所示实施例中的交流电励磁磁通切换电机包括12个定子磁极，5个转子磁极。励磁绕组和电枢绕组都分布在定子上，其中励磁绕组由3个励磁线圈212串联而成。A相电枢绕组由两个线圈213串联而成。B相电枢绕组由两个线圈214串联而成。C相电枢绕组由两个线圈215串联而成。
在电动模式下，半导体开关单元202中的IGBT处于关闭状态。当半导体开关单元203中的IGBT打开时，电流从第一直流母线201正极，通过交流电励磁磁通切换电机励磁绕组212以及半导体开关单元203中的IGBT，最终流向第一直流母线201的负极。在这一过程中，励磁绕组电流逐渐增加。当半导体开关单元203中的IGBT关闭时，电流从第一直流母线201正极，通过交流电励磁磁通切换电机励磁绕组212以及半导体开关单元202中的二极管，向第二直流母线205上的电容204充电，最终流向第一直流母线201负极。在这一过程中，励磁绕组电流逐渐减小。
利用脉宽调制技术控制直流-交流功率变换器将第二直流母线205上的直流电转换为交流电，用以驱动电机电动运行。
图3为本发明另一个实施例提供的基于双向直流-直流功率变换器和双电平功率变换器的交流电励磁磁通切换电机系统在电动模式时的波形图。
在发电模式下，半导体开关单元203中的IGBT处于关闭状态。当半导体开关单元202中的IGBT打开时，电流从第二直流母线205正极，通过半导体开关单元202中的IGBT以及交流电励磁磁通切换电机励磁绕组212，向第一直流母线201充电。在这一过程中，励磁绕组212电流逐渐增加。当半导体开关单元202中的IGBT关闭时，电流经过半导体开关单元203中的二极管，交流电励磁磁通切换电机励磁绕组212向第一直流母线201充电。在这一过程中，励磁绕组212电流逐渐减小。在发电过程中，利用脉宽调制技术控制直流-交流功率变换器可将电机发出的交流电转换为第二直流母线205上的直流电，经过双向直流-直流功率变换器向第一直流母线201充电。
图4为本发明另一个实施例提供的基于双向直流-直流功率变换器和双电平功率变换器的交流电励磁磁通切换电机系统在发电模式时的波形图。
通过图3和图4的仿真波形可知，该实施例中双向直流-直流功率变换器的电感和交流电励磁磁通切换电机励磁绕组可以共用同一个绕组分别实现电感能量的储存和电机磁场的激励，并可以实现电机系统正常的电动或发电运行。该实施例节省了额外的电感元件，这提高了系统的功率密度，降低了成本，强化了系统的可靠性。
图5为本发明另一个实施例提供的电励磁直流电机驱动系统的结构示意图。本实施例提供的电励磁直流电机驱动系统，包括：直流-直流功率变换器502和直流电励磁电机505。其中，直流电励磁电机励磁绕组504是直流电励磁电机505的一部分。
图5所示实施例中直流-直流功率变换器502一端与第一直流母线501相连，另一端与第二直流母线503相连，直流-直流功率变换器的电感为直流电励磁电机505的励磁绕组504。直流电励磁电机505的电枢绕组与第二直流母线503相连。
通过控制直流-直流功率变换器502中半导体开关器件的占空比，控制电能在第一直流母线501以及第二直流母线503之间的流动，调节第一直流母线501和第二直流母线503的电压，并可以使电机运行在电动或发电状态。电流流过直流电励磁电机的励磁绕组504，建立电机运行所需的磁场；同时，直流电励磁电机的励磁绕组504还作为直流-直流功率变换器的电感。
上述半导体开关器件至少为下列之一：
双极结型晶体管，金属氧化物半导体场效应晶体管，绝缘栅双极型晶体管，集成门极换流双极结型晶体管，碳化硅晶体管，氮化镓晶体管，二极管，晶闸管，门极可关断晶闸管。
优选的，图1中的直流-直流功率变换器502位下列之一或者两个及以上下列功率变换器组合而成的混合式直流-直流功率变换器：
升压型直流-直流功率变换器，降压型直流-直流功率变换器，降压升压型直流-直流功率变换器，双向直流-直流功率变换器，CUK直流-直流功率变换器，Z源直流-直流功率变换器，反激式直流-直流功率变换器，正激式直流-直流功率变换器，半桥式直流-直流功率变换器，全桥式直流-直流功率变换器，推挽式直流-直流功率变换器，交错式直流-直流功率变换器，电感抽头式直流-直流功率变换器。
优选的，图1中的直流电励磁电机包括直流电机、混合励磁直流电机以及所对应的旋转电机和直线电机。
在本实施例中，直流电励磁电机励磁绕组和直流-直流功率变换器电感为同一个绕组，该绕组在为直流电励磁电机激励磁场的同时，还作为直流-直流功率变换器的电感。在没有额外电感的情况下实现了系统直流母线电压的控制。由于减少了额外电感的使用，该实施例提高了系统的功率密度，降低了成本，强化了系统的可靠性。
进一步地，图6为本发明的另一个实施例提供的基于降压升压直流-直流功率变换器的电励磁直流电机驱动系统的原理图。
图6所示实施例由降压升压直流-直流功率变换器和电励磁直流电机构成。其中，第一直流母线601的正极与MOSFET开关 602的漏极相连，MOSFET开关602 的源级与二极管603的负极相连，二极管603的正极与电容605的负极相连，电容605的正极与第二直流母线604的负极相连，第一直流母线601的负极与第二直流母线605的负极相连。第二直流母线604通过电刷608与直流电励磁电机电枢绕组607相连。直流电励磁电机的励磁绕组由两个励磁线圈606串联而成，励磁绕组的一端与二极管603的负极相连，另一端与第二直流母线604负极相连。这里所描述的实施例采用MOSFET开关，然而这里所描述的方法和装置不限于这种类型的开关，其他类型开关也适用。
图6所示实施例中，当MOSFET开关602打开时，电流从第一直流母线601正极，通过MOSFET开关602以及直流电励磁电机励磁绕组606流向第一直流母线601负极。当MOSFET开关602关闭时，直流电励磁电机励磁绕组中的电流流向电容605的正极，并通过二极管603构成整个续流回路。第二直流母线604的电压与第一直流母线601电压的关系为
其中。V2为第二直流母线604电压，V1为第一直流母线601电压，D为MOSFET开关602的占空比,0<D<1。当D>0.5时，第二直流母线电压604比第一直流母线电压601高。当D<0.5时，第二直流母线604比第一直流母线601电压低。
第二直流母线604通过电刷608向电枢绕组607传输能量，驱动直流电励磁电机旋转。
图7为本发明另一个实施例所提供的基于降压升压直流-直流功率变换器的电励磁直流电机驱动系统在D=0.6时的波形图。图8为本发明另一个实施例所提供的基于降压升压直流-直流功率变换器的电励磁直流电机驱动系统在D=0.3时的波形图。从图7和图8的波形图可知，本发明实施例所提供的基于降压升压直流-直流功率变换器的电励磁直流电机驱动系统可以实现第二直流母线的升压以及降压。励磁绕组一方面为直流电励磁电机提供磁场，另一方面作为降压升压直流-直流功率变换器必须的元件。
图6所示本发明另一个实施例所提供的基于降压升压直流-直流功率变换器的电励磁直流电机驱动系统，其直流-直流功率变换器和电励磁直流电机通过节省了额外的电感元件，这提高了系统的功率密度，降低了成本，强化了系统的可靠性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种利用电励磁电机励磁绕组控制电机驱动系统直流母线电压的方法和装置，其特征在于，包括：第一直流母线，第二直流母线，直流-直流功率变换器，电励磁电机：第一直流母线通过直流-直流功率变换器与第二直流母线传递能量，所述直流-直流功率变换器利用所述电励磁电机励磁绕组作为电感，调节能量在所述第一直流电压母线和所述第二直流电压母线之间的流动，进而调节所述第一直流电压母线电压或所述第二直流母线电压；所述电励磁电机励磁绕组同时激励所述电励磁电机的磁场，所述第二直流母线通过功率变换器与电励磁电机电枢绕组相连，或者直接与电励磁电机电枢绕组相连并传递能量，使电机运行于电动或发电状态。
2.根据权利要求1中所述的利用电励磁电机励磁绕组控制电机驱动系统直流母线电压的方法和装置，其特征在于，所述的直流-直流功率变换器为下列之一或者两个及以上下列功率变换器组合而成的混合式直流-直流功率变换器：升压型直流-直流功率变换器，降压型直流-直流功率变换器，降压升压型直流-直流功率变换器，双向直流-直流功率变换器，CUK直流-直流功率变换器，Z源直流-直流功率变换器，反激式直流-直流功率变换器，正激式直流-直流功率变换器，半桥式直流-直流功率变换器，全桥式直流-直流功率变换器，推挽式直流-直流功率变换器，交错式直流-直流功率变换器，电感抽头式直流-直流功率变换器。
3.根据权利要求2中所述的直流-直流功率变换器，其特征在于，所述的直流-直流功率变换器由半导体开关器件，电容器件以及电感器件组成。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的直流-直流功率变换器，其特征在于，所述的电感器件部分或全部由上述电励磁电机励磁绕组构成。
5.根据权利要求1-3中任意一项中所述的直流-直流功率变换器，其特征在于，所述的半导体开关器件至少为下列之一：双极结型晶体管（BJT），金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），绝缘栅双极型晶体管（IGBT），集成门极换流双极结型晶体管，碳化硅晶体管，氮化镓晶体管，二极管，晶闸管，门极可关断晶闸管。
6.根据权利要求1中所述的利用电励磁电机励磁绕组控制电机驱动系统直流母线电压的方法和装置，其特征在于，所述电励磁电机为交流电励磁电机或直流电励磁电机之一，所述交流电励磁电机为下列之一：磁通切换电机，变磁通磁阻电机，定子双馈双凸极电机，定子电励磁同步电机，转子电励磁同步电机，所述电励磁电机还包括对应的励磁绕组与永磁体混合励磁型电机，旋转电机以及直线电机，所述交流电励磁电机还包括对应的单相电机以及多相电机。
7.根据权利要求1或6中所述的电励磁电机，其特征在于，所述电励磁电机励磁绕组由一个或多个绕组组成，它们部分或全部与所述直流-直流功率变换器连接。
8.根据权利要求6中所述的交流电励磁电机，其特征在于，第二直流母线通过下列之一或两个及以上下列功率变换器组合而成的电机驱动装置与所述交流电励磁电机电枢绕组传递能量：半桥功率变换器，全桥功率变换器，多电平功率变换器，软开关功率变换器，维也纳功率变换器。
9.根据权利要求6中所述的直流电励磁电机，其特征在于，所述电励磁直流电机的电枢绕组可以通过电刷直接与第二直流母线相连，并与所述电励磁电机电枢绕组传递能量。
10.根据权利要求1中所述的利用电励磁电机励磁绕组控制电机驱动系统直流母线电压的方法和装置，其特征在于，所述电励磁电机的励磁绕组一方面被用来建立电机磁场，同时在另一方面也作为直流-直流功率变换器的电感。
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