一种电磁兼容友好型开绕组拓扑结构
阅读说明：本技术 一种电磁兼容友好型开绕组拓扑结构 (Electromagnetic compatibility friendly open winding topological structure ) 是由 杨淑英 李�一 王付胜 谢震 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电磁兼容友好型开绕组拓扑结构,属于开绕组电机控制领域。所述拓扑结构将一个滤波电容的两端分别与两侧三相两电平逆变器的直流母线中点相连,构成中线带滤波电容的共中线开绕组拓扑结构。该拓扑保持了高频信号在中线上的流通,使得两侧三相两电平逆变器母线间不存在高频电压脉动；同时削弱了低频零序环流在中线流通的能力,从而减轻系统控制过程中因抑制低频零序环流而产生的共模电压负担,提高了开绕组系统电磁兼容性,系统的控制性能也得到提升。(The invention discloses an electromagnetic compatibility friendly open winding topological structure, and belongs to the field of open winding motor control. The topological structure is characterized in that two ends of a filter capacitor are respectively connected with the middle points of direct current buses of three-phase two-level inverters on two sides, so that a common neutral line open winding topological structure with a neutral line provided with the filter capacitor is formed. The topology keeps the circulation of high-frequency signals on a central line, so that high-frequency voltage pulsation does not exist between buses of the three-phase two-level inverter on two sides; meanwhile, the circulation capacity of the low-frequency zero-sequence circulation current in the neutral line is weakened, so that the common-mode voltage burden generated by inhibiting the low-frequency zero-sequence circulation current in the control process of the system is reduced, the electromagnetic compatibility of the open winding system is improved, and the control performance of the system is also improved.)
技术领域
本发明涉及开绕组电机控制领域，具体涉及一种电磁兼容友好型开绕组拓扑结构。
背景技术
开绕组电机系统相较于传统单逆变器系统具有较高的电压利用率、易于实现多源混合驱动等优势，近年来受到很多国内外学者的广泛关注。开绕组电机系统目前大多使用共直流母线拓扑结构和独立直流母线拓扑结构，对于共直流母线拓扑结构而言，不能实现多源混合驱动；独立直流母线拓扑的母线之间存在高频电压脉动，引发电磁干扰、轴电流等安全性问题。共中线拓扑通过直接连接两侧母线电源中点，抑制了母线间的高频电压脉动且同时具有共直流母线拓扑结构和独立直流母线拓扑结构的优点。然而，由于共中线拓扑下的开绕组电机系统中仍然存在零序通路，使得系统中零序环流的流通成为可能，电磁兼容性变差，严重时零序环流会造成电机相电流畸变、产生额外损耗和转矩脉动。
题为“基于共中线拓扑的开绕组异步电机控制策略研究”(中国电机工程学报，2020年第40卷第11期3681-3691页)的文章。该文章对共中线拓扑下的开绕组异步电机控制策略进行分析研究，这种拓扑下由于零序通路的存在，仍然需要对零序环流进行抑制，且抑制方法和共直流母线拓扑基本类似。
题为“Zero-Sequence Current Suppression Strategy of Open-Winding PMSGSystem With Common DC Bus Based on Zero Vector Redistribution”(Y.Zhou andH.Nian，IEEE Transactions on Industrial Electronics，vol.62，no.6，pp.3399-3408，June 2015.)(“基于零矢量重分配的共直流开绕组永磁同步电机零序环流抑制策略”(Y.Zhou and H.Nian，电气和电子工程师协会工业电子学报，2015第62卷第6期3399-3408页))的文章。该文分析了开绕组永磁同步电机的零序等效回路，指出开绕组永磁同步电机零序环流的影响因素与异步电机不同。由于永磁电机中三次零序反电动势的存在，零序环流的抑制相比异步电机更为复杂。
题为“Control Strategies for Open-End Winding Drives Operating in theFlux-Weakening Region”(Sandulescu，F.Meinguet，X.Kestelyn，E.Semail and A.Bruyère，IEEE Transactions on Power Electronics，vol.29，no.9，pp.4829-4842，Sept.2014.)(“弱磁区域下开绕组驱动控制策略”(Sandulescu，F.Meinguet，X.Kestelyn，E.Semail and A.Bruyère，电气和电子工程师协会电力电子学报，2014第29卷第9期4829-4842页))的文章。该文章提出了共直流母线拓扑下的开绕组永磁同步电机工作在弱磁区域时电机的零序环流将增大，使得共模电压调制的需求增加，影响直流电压利用率。
综上所述，现有拓扑存在以下问题：
1.与共直流母线拓扑类似，对共中线拓扑下开绕组电机系统而言，特别是永磁同步电机系统的零序回路中包含转子永磁体磁链所产生的三次谐波反电势，这使得零序环流的抑制变得较为困难；当电机运行在零序环流较大的工况时，单纯依赖控制手段抑制较大的零序环流，往往需要以逆变器调制较大的共模电压为代价，电磁兼容性变差，并导致差模电压调制受到影响，因此使得电机系统控制性能变差。
发明内容
本发明的目的是为了解决共中线开绕组电机系统的零序环流问题，对系统中低频零序环流的流通能力进行抑制，减轻系统控制过程中因抑制低频零序环流而存在的共模电压调制负担。
本发明的目的是这样实现的，本发明通过将一个滤波电容的两端分别与两侧三相两电平逆变器的直流母线中点相连，使其保持高频信号流通的同时抑制低频零序信号的流通，构成中线带滤波电容的、可以抑制共中线开绕组电机低频零序环流的拓扑结构。
具体的，本发明提供了一种电磁兼容友好型开绕组拓扑结构，包括直流源E、第一三相两电平逆变器VSI1、第二三相两电平逆变器VSI2、电机三相定子绕组D、中线N、滤波电容C、电解电容C1、电解电容C2、电解电容C3和电解电容C4；
所述电解电容C1和电解电容C2串联后连接在直流源E的直流正母线P与直流负母线Q之间，电解电容C1和电解电容C2的公共接点记为点O1；所述电解电容C3和电解电容C4串联，电解电容C3和电解电容C4的公共节点记为点O2，所述中线N连接点O1和点O2，滤波电容C串联在点O1和点O2之间；
所述第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中，每相桥臂包括2个开关管，即第一三相两电平逆变器VSI1共包括6个开关管，6个开关管分别记为Sn1j，其中n表示相序，n＝a，b，c，j表示开关管的序号，j＝1，2；第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂相互并联在直流正母线P与直流负母线Q之间，即开关管Sa11、Sb11、Sc11的集电极并联后连接直流正母线P，开关管Sa12、Sb12、Sc12的发射极并联后连接直流负母线Q；在第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中，开关管Sa11和开关管Sa12串联，开关管Sb11和开关管Sb12串联，开关管Sc11和开关管Sc12串联，其连接点分别记为第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点a1、b1、c1；
所述第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中，每相桥臂包括2个开关管，即第二三相两电平逆变器VSI2共包括6个开关管，6个开关管分别记为Sn2j；开关管Sa21、Sb21、Sc21的集电极并联后连接电解电容C3的正极，开关管Sa22、Sb22、Sc22的发射极并联后连接电解电容C4的负极；在第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中，开关管Sa21和开关管Sa22串联，开关管Sb21和开关管Sb22串联，开关管Sc21和开关管Sc22串联，其连接点分别记为第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点a2、b2、c2；
所述电机三相定子绕组D中包括三相绕组，即A相绕组、B相绕组和C相绕组，其中：
A相绕组的左端口接第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点a1，A相绕组的右端口接第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点a2；
B相绕组的左端口接第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点b1，B相绕组的右端口接第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点b2；
C相绕组的左端口接第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点c1，C相绕组的右端口接第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点c2。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、与现有共中线拓扑下开绕组电机系统相比，本发明拓扑能够抑制系统中低频零序环流的流通能力，在同一运行条件下时所需的共模电压幅值更低，电磁兼容性更优；
2、更低的共模电压调制需求提高了系统的控制性能。
附图说明
图1为本发明一种电磁兼容友好型开绕组拓扑结构的拓扑结构图。
图2为现有共中线拓扑下开绕组永磁同步电机控制系统中的零序环流和共模电压实验结果。
图3为与图2在相同实验条件下本发明拓扑下开绕组永磁同步电机控制系统中的零序环流和共模电压实验结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明一种电磁兼容友好型开绕组拓扑结构进行详细说明。
图1为本发明一种电磁兼容友好型开绕组拓扑结构的拓扑结构图。由图1可见，本发明提供了一种电磁兼容友好型开绕组拓扑结构，包括直流源E、第一三相两电平逆变器VSI1、第二三相两电平逆变器VSI2、电机三相定子绕组D、中线N、滤波电容C、电解电容C1、电解电容C2、电解电容C3和电解电容C4。
所述电解电容C1和电解电容C2串联后连接在直流源E的直流正母线P与直流负母线Q之间，电解电容C1和电解电容C2的公共接点记为点O1；所述电解电容C3和电解电容C4串联，电解电容C3和电解电容C4的公共节点记为点O2，所述中线N连接点O1和点O2，滤波电容C串联在点O1和点O2之间。
所述第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中，每相桥臂包括2个开关管，即第一三相两电平逆变器VSI1共包括6个开关管，6个开关管分别记为Sn1j，其中n表示相序，n＝a，b，c，j表示开关管的序号，j＝1，2；第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂相互并联在直流正母线P与直流负母线Q之间，即开关管Sa11、Sb11、Sc11的集电极并联后连接直流正母线P，开关管Sa12、Sb12、Sc12的发射极并联后连接直流负母线Q；在第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中，开关管Sa11和开关管Sa12串联，开关管Sb11和开关管Sb12串联，开关管Sc11和开关管Sc12串联，其连接点分别记为第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点a1、b1、c1。
所述第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中，每相桥臂包括2个开关管，即第二三相两电平逆变器VSI2共包括6个开关管，6个开关管分别记为Sn2j；开关管Sa21、Sb21、Sc21的集电极并联后连接电解电容C3的正极，开关管Sa22、Sb22、Sc22的发射极并联后连接电解电容C4的负极；在第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中，开关管Sa21和开关管Sa22串联，开关管Sb21和开关管Sb22串联，开关管Sc21和开关管Sc22串联，其连接点分别记为第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点a2、b2、c2。
所述电机三相定子绕组D中包括三相绕组，即A相绕组、B相绕组和C相绕组，其中：
A相绕组的左端口接第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点a1，A相绕组的右端口接第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点a2；
B相绕组的左端口接第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点b1，B相绕组的右端口接第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点b2；
C相绕组的左端口接第一三相两电平逆变器VSI1的三相桥臂中点c1，C相绕组的右端口接第二三相两电平逆变器VSI2的三相桥臂中点c2。
为了验证本发明的有效性，对本发明进行了实验验证。实验系统参数设置为：直流源E为400V，第二三相两电平逆变器VSI2侧直流电压设置为400V，电解电容C1、电解电容C2、电解电容C3、电解电容C4的容值均为2048μF，中线滤波电容C设计为3.3μF。电机运行于30hz时记录实验结果。
图2为现有共中线拓扑下开绕组永磁同步电机控制系统中的零序环流和共模电压实验结果。
图3为与图2在相同实验条件下本发明拓扑下开绕组永磁同步电机控制系统中的零序环流和共模电压实验结果。
对比图2和图3的实验结果来看，由于本发明拓扑中滤波电容C的作用，零序环流基本在0A附近波动的同时，现有共中线拓扑下共模电压的幅值约为45V，而本发明拓扑下共模电压幅值仅15V左右；实验电机反电动势中包含3次和15次谐波，由图2和图3可以看出共模电压表现为3次和15次谐波的叠加，表明这些低频零序分量都能够得到抑制。
以上说明了该拓扑结构的运用能够有效的抑制开绕组电机系统中低频零序环流，表现为系统中因抑制低频零序环流而产生的共模电压幅值大幅降低，削弱了共模信号所产生的电磁干扰，系统的控制性能也即得到提升。
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