CN104079227B - 一种具有减少共模干扰能力的电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有减少共模干扰能力的电机系统，包括电机、直流电源、桥式逆变器、控制器以及1～2个斩波开关；本发明同时控制两个斩波开关，可减小电机共模电压的最大值和最小值，最大程度地减少共模电压的变化，提高系统的电磁兼容性；只选择控制任意一个斩波开关管时，也能减小电机共模电压的最大值或最小值，这样在减小电机共模干扰的前提下，同时能缩减成本。本发明控制策略只需要在常用的电机驱动系统上进行简单的修改即可实现，这有利于电机系统的快速应用，迅速解决存在的共模干扰问题，提高系统的电磁兼容性，因此，实现方法简便，实用性强。

Description

一种具有减少共模干扰能力的电机系统

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种具有减少共模干扰能力的电机系统。

背景技术

目前，公知的电机控制器用以灵活多变地控制电机运行状态，其一般由整流和逆变两部分组成，结合脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称PWM)技术，即可实现电机在较宽的转速范围内稳定的运行。脉宽调制技术作用于逆变部分，通过对直流电压的通断，实现对电机的灵活控制。由于脉宽调制技术在电机控制方面的优越性，近年来逐步取代了调压、变极等调速方法在电机控制领域中的应用。

现有的脉宽调制技术虽然控制性能优良，但是其高频率开关特点，会导致电机驱动系统产生高频共模干扰，进而引起电机端的过电压、轴电压、轴承电流等负面效应，从而会造成电机损坏和环境电磁污染。

以三相为例，图1所示为空间电压矢量控制算法的电压矢量图，即用六个空间电压矢量和两个零电压空间矢量对电机进行控制，八个状态分别对应逆变器六个开关管的开通和关断，并将电机运行过程分成了六个不同的扇区(图中①至⑥)。基于空间电压矢量控制算法的电机驱动系统中，逆变电路的六个开关管会根据电机所在扇区，选择不同的开关状态，以对电机施加有效的电压空间矢量。

然而，正是因为电机的运行过程需要在这八个状态中来回切换，导致了电机共模电压的跳变，进而造成电机驱动系统的共模干扰。假设直流母线供电电压为，依据逆变器开关状态的不同，电机共模电压值会在之间变化。这个交变的共模电压导致了电机系统的共模干扰。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明公开了一种具有减少共模干扰能力的电机系统，能够减少电机的共模干扰且结构设计简单。

一种具有减少共模干扰能力的电机系统，包括电机、直流电源、桥式逆变器、控制器以及1～2个斩波开关；所述的桥式逆变器交流侧与电机的定子绕组对应连接，所述的控制器用于为桥式逆变器以及斩波开关提供驱动信号；

若斩波开关为一个，则直流电源的正极通过斩波开关与桥式逆变器的正端相连，直流电源的负极直接与桥式逆变器的负端相连；或直流电源的正极直接与桥式逆变器的正端相连，直流电源的负极通过斩波开关与桥式逆变器的负端相连；

若斩波开关为两个，则直流电源的正负两极分别通过一个斩波开关与逆变器的正负两端对应连接。

所述的直流电源为独立的直流电压源或前级交流电源经整流后的直流输出。

所述的斩波开关采用带有反并联二极管的开关管。

所述的开关管为MOSFET(金属-氧化层半导体场效晶体管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、IEGT(电子注入增强栅晶体管)、GTO(可关断晶闸管)、三极管或晶闸管等。

所述的二极管为肖特基二极管、快速恢复二极管、硅管或碳化硅二极管等。

在控制器的控制下，仅当桥式逆变器中所有上桥臂的开关管(即开关管上管)均闭合时，与直流电源正极连接的斩波开关才关断，其他情况该斩波开关均闭合；仅当桥式逆变器中所有下桥臂的开关管(即开关管下管)均闭合时，与直流电源负极连接的斩波开关才关断，其他情况该斩波开关均闭合。

所述的电机和桥式逆变器可以为单相、两相、三相或者多相。

本发明通过在逆变器直流侧增设斩波开关，降低了电机运行时常见的共模干扰问题，其有益技术效果如下：

(1)本发明同时控制两个斩波开关，可减小电机共模电压的最大值和最小值，最大程度地减少共模电压的变化，提高系统的电磁兼容性。

(2)本发明只选择控制任意一个斩波开关管时，能减小电机共模电压的最大值或最小值，这样在减小电机共模干扰的前提下，同时能缩减成本。

(3)本发明控制策略只需要在常用的电机驱动系统上进行简单的修改即可实现，这有利于电机系统的快速应用，迅速解决存在的共模干扰问题，提高系统的电磁兼容性，因此，实现方法简便，实用性强。

附图说明

图1为电机控制的空间电压矢量图(以三相为例)。

图2为本发明电机系统的结构示意图(以三相为例)。

图3为常规电机系统的共模电压波形示意图。

图4(a)为在第一控制策略下开关管下管全通时斩波开关的通断示意图。

图4(b)为在第一控制策略下开关管上管全通时斩波开关的通断示意图。

图4(c)为电机在第一控制策略下的共模电压波形示意图。

图5(a)为在第二控制策略下开关管上管全通时斩波开关的通断示意图。

图5(b)为电机在第二控制策略下的共模电压波形示意图。

图6(a)为在第三控制策略下开关管下管全通时斩波开关的通断示意图。

图6(b)为电机在第三控制策略下的共模电压波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2所示为电机驱动系统，包括直流电源、第一斩波开关、第二斩波开关、逆变器、电机及其控制器。其中，斩波开关和逆变器高频开关管可以是MOSFET、IGBT、IGCT、IEGT、三极管、GTO、晶闸管等。如果开关管自身没有集合反向并联的二极管，则添加反向并联的二极管，二极管可以是肖特基二极管、快速恢复二极管、硅管、碳化硅二极管等。

本实施方式以三相电机系统为例，但并不局限于三相电机系统。直流电源可以由整流和滤波电路从交流电源转化而来，也可以来自直流供电设备。此直流电源正负端均串联了一个斩波开关S7和S8，用于后级电路(逆变器)与前级直流电源的连接与关断。斩波开关后接入由6个开关管(S1～S6)组成的逆变器，用于将直流电源逆变成交流电源，控制交流电机运行。此处各开关管以带有反并联二极管的IGBT为例，但不限于IGBT。整个电机驱动系统的控制策略由控制器完成，通过对电机运行特性的采集，输出8路驱动信号，用于驱动开关管S1～S8。

如图1所示，电机控制策略中常见的空间电压矢量控制算法有8种空间电压矢量V0～V7，其中V0和V7是零电压空间矢量，V7是高电位零电压矢量(即所有开关管上管导通)，V0是低电位零电压矢量(即所有开关管下管导通)。零电压空间矢量虽然对电机并不是有效电压矢量，不会产生有效转矩，但是可以优化电机控制。

如图3所示，常规电机驱动系统会使电机产生大幅值的交变共模电压，图3即是常规电机共模电压的波形示意图，共模电压可由下式计算得到：

$u_{\mathrm{CN}}=\frac{1}{3}(u_{\mathrm{UM}}+u_{\mathrm{VM}}+u_{\mathrm{WM}})$

其中：u_CM为电机绕组中性点C到直流母线箝位中点M的电压，u_UM为电机U端到直流母线箝位中点M的电压，u_VM为电机V端到直流母线箝位中点M的电压，u_WM为电机W端到直流母线箝位中点M的电压。

从图3可知，不做任何改进措施的情况下，电机的共模电压峰峰值会达到直流母线电压值的大小。当采用高直流母线电压时，会产生强烈的共模干扰，造成严重的负面效应。

为了使交流电机能平稳运行，电机的电压矢量应控制在图1所示的电压空间矢量图中平稳地运转。例如，当需要施加的电机电压矢量位置在扇区①时，就可以利用空间电压矢量V1、V2以及零电压矢量V0、V7，组成七段式控制算法，来实现期望的电压矢量。在扇区①运行过程中，由于不同的开关状态，电机共模电压会从到，再到，最后达到最大值。同理，当电机在其他扇区运行时，共模电压同样会从变化到。因此，当电机正常运行时，开关状态不断地在这8种状态(以三相为例)下切换，形成了如图3所示的共模电压波形。

当零电压空间矢量作用时，电机三个输入端短路，直流母线上的电流为零，相当于直流电源和逆变部分是没有联系的。如果此时将直流电源和逆变器断开，对电机的正常运行没有任何影响。利用此特性，本发明在零电压空间矢量作用时，将直流电源和逆变器断开，削弱电机共模电压跟随开关状态变化而变化，以减少电机的共模干扰。

实施例一

本实施例的电路拓扑结构如图2所示，以三相为例，直流电压正负端上各串联一个开关管(与正极连接的斩波开关为S7，与负极连接的斩波开关为S8)；斩波开关S7和S8后面接入由6个开关管组成的全桥逆变电路，其中，S1、S4组成第一桥臂的上下臂，S3、S6组成第二桥臂的上下臂，S5、S2组成第三桥臂的上下臂。

当零电压空间矢量作用时，电机的共模电压是。如果在零电压空间矢量作用的情况下，同时断开直流电源和逆变器的连接，那么电机电源此时会处于高阻状态，电机的电位完全由自身因素决定，因而不会达到的共模电压幅值。

本实施方式采用的控制策略如下：

当逆变器下管全通时，即零电压空间矢量V0作用时，斩波开关S7导通，斩波开关S8关断。如图4(a)所示，当S1、S3、S5开关管全部断开，S4、S6、S2开关管全部导通时，斩波开关S7导通，斩波开关S8关断。

当逆变器上管全通时，即零电压空间矢量V7作用时，斩波开关S8导通，斩波开关S7关断。如图4(b)所示，当S1、S3、S5开关管全部导通，S4、S6、S2开关管全部断开时，斩波开关S8导通，斩波开关S7关断。

在其他开关状态时，即非零电压空间矢量作用时，斩波开关S7和S8都导通。

上述逻辑控制利用了斩波开关对共模电压的影响，达到了减少共模电压的目的。如图4(a)所示，当零电压空间矢量V0作用时，断开斩波开关S8，使电机处于高阻状态，可以防止电机共模电压达到；同理，如图4(b)所示，当零电压空间矢量V7作用时，断开斩波开关S7，可以防止电机共模电压达到。

当电机驱动系统按照此控制策略驱动时，就会产生如图4(c)所示的电机共模电压。从图4(c)可见，本实施方式使得电机共模电压的最大值和最小值都减小了。对比图3中所示的共模电压，在直流母线电压不变的前提下，本实施方式的共模电压峰-峰值缩小为原来的1/3。故利用本实施方式的控制策略，能最大程度地减小电机共模电压的变化幅度，进而最大程度地减少电机的共模干扰。

实施例二

本实施方式只选择高压处的斩波开关S7进行控制，另一个斩波开关始终导通，并且，为了降低成本、简化控制，可省去此斩波开关，而将直流电源负极与逆变器负端直接相连。

同样以三相为例，直流电压正端上串联一个开关管(斩波开关为S7)；斩波开关S7后面接入由6个开关管组成的全桥逆变电路，其中，S1、S4组成第一桥臂的上下臂，S3、S6组成第二桥臂的上下臂，S5、S2组成第三桥臂的上下臂。

当零电压空间矢量V7作用时，电机的共模电压是。如果在零电压空间矢量V7作用的情况下，同时断开与直流电源的连接，那么电机此时会处于高阻状态，电机的电位完全由自身因素决定，而不会达到的共模电压幅值。

本实施方式采用的控制策略如下：

当逆变器上管全通时，即零电压空间矢量V7作用时，斩波开关S7关断。如图5(a)所示，当S1、S3、S5开关管全部导通，S4、S6、S2开关管全部断开时，斩波开关S7关断。

在其他开关状态时，即零电压空间矢量V0或非零电压空间矢量作用时，斩波开关S7一直导通。

上述逻辑控制利用了斩波开关对共模电压的影响，达到了减少共模电压的目的。如图5(a)所示，当零电压空间矢量V7作用时，断开斩波开关S7，可以防止电机共模电压达到。

当电机驱动系统按照此控制策略驱动时，就会产生如图5(b)所示的电机共模电压。从图5(b)可见，本实施方式使得电机共模电压的最大值减小。对比图3中所示的共模电压，在直流母线电压不变的前提下，本实施方式的共模电压峰-峰值缩小为原来的2/3。利用本实施方式的控制策略，能减小电机共模电压的最大值，进而减少电机的共模干扰；同时只加入了一个斩波开关，相比实施例一能降低成本。

实施例三

本实施方式只选择低压处的斩波开关S8进行控制，另一个斩波开关始终导通，并且，为了降低成本、简化控制，可省去此斩波开关，而将直流电源正极与逆变器正端直接相连。

同样以三相为例，直流电压负端上串联一个开关管(斩波开关为S8)；斩波开关S8后面接入由6个开关管组成的全桥逆变电路，其中，S1、S4组成第一桥臂的上下臂，S3、S6组成第二桥臂的上下臂，S5、S2组成第三桥臂的上下臂。

当零电压空间矢量V0作用时，电机的共模电压是。如果在零电压空间矢量V0作用的情况下，同时断开与直流电源的连接，那么电机此时会处于高阻状态，电机的电位完全由自身因素决定，而不会达到的共模电压幅值。

本实施方式采用的控制策略如下：

当逆变器下管全通时，即零电压空间矢量V0作用时，斩波开关S8关断。如图6(a)所示，当S1、S3、S5开关管全部导通，S4、S6、S2开关管全部断开时，斩波开关S8关断。

在其他开关状态时，即零电压空间矢量V7或非零电压空间矢量作用时，斩波开关S8一直导通。

上述逻辑控制利用了斩波开关对共模电压的影响，达到了减少共模电压的目的。如图6(a)所示，当零电压空间矢量V0作用时，断开斩波开关S8，可以防止电机共模电压达到。

当电机驱动系统按照此控制策略驱动时，就会产生如图6(b)所示的电机共模电压。从图6(b)可见，本实施方式使得电机共模电压的最小值减小。对比图3中所示的共模电压，在直流母线电压不变的前提下，本实施方式的共模电压峰-峰值缩小为原来的2/3。利用本实施方式的控制策略，能减小电机共模电压的最小值，进而减少电机的共模干扰；同时只加入了一个斩波开关，相比实施例一能降低成本。

Claims (5)

1.一种具有减少共模干扰能力的电机系统，其特征在于：包括电机、直流电源、桥式逆变器、控制器以及1～2个斩波开关；所述的桥式逆变器交流侧与电机的定子绕组对应连接，所述的控制器用于为桥式逆变器以及斩波开关提供驱动信号；

若斩波开关为一个，则直流电源的正极通过斩波开关与桥式逆变器的正端相连，直流电源的负极直接与桥式逆变器的负端相连；或直流电源的正极直接与桥式逆变器的正端相连，直流电源的负极通过斩波开关与桥式逆变器的负端相连；

若斩波开关为两个，则直流电源的正负两极分别通过一个斩波开关与逆变器的正负两端对应连接；

在控制器的控制下，仅当桥式逆变器中所有上桥臂的开关管均闭合时，与直流电源正极连接的斩波开关才关断，其他情况该斩波开关均闭合；仅当桥式逆变器中所有下桥臂的开关管均闭合时，与直流电源负极连接的斩波开关才关断，其他情况该斩波开关均闭合。

2.根据权利要求1所述的电机系统，其特征在于：所述的直流电源为独立的直流电压源或前级交流电源经整流后的直流输出。

3.根据权利要求1所述的电机系统，其特征在于：所述的斩波开关采用带有反并联二极管的开关管。

4.根据权利要求3所述的电机系统，其特征在于：所述的开关管为MOSFET、IGBT、IGCT、IEGT、GTO、三极管或晶闸管。

5.根据权利要求3所述的电机系统，其特征在于：所述的二极管为肖特基二极管、快速恢复二极管、硅管或碳化硅二极管。