一种变频变拓扑调速电机控制系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种变频变拓扑调速电机控制系统。

背景技术

电机作为机电能量转换的核心，在以电力和电气化为核心标志的第二次工业革命中，在国民经济的各个方面都起到巨大的推动作用。电机及其驱动技术最开始主要有直流系统和交流系统两个路线。

直流系统中的动力设备的代表就是直流电机，直流电机从发明到现在已经上百年，从电励磁直流电机到永磁直流电机，结构更加简化，技术更加成熟，直流电机的优势是控制简单，调速方便，但是缺点同样突出，就是存在电刷和换向器等旋转摩擦部件，寿命有限，维护复杂。

交流系统中动力设备的代表就是交流异步电机和同步电机，尤其是交流异步电机由于转子没有任何动静接触部件，结构更加简单可靠，不需要额外的直流或者交流电源，直接挂工频交流电网就能运行，因此得到了最为广泛的应用。但是在交流矢量控制技术出现之前，异步电机的调速性能有限，因此在很多需要调速和精确控制的工况，异步电机相比直流电机处于弱势地位。但是20世纪80年代后期，随着交流电机矢量控制技术、电力电子器件技术以及半导体控制芯片技术的不断成熟，以电机+IGBT+控制芯片为核心的交流电机矢量控制系统在工业、农业、以及国民经济的各个领域大面积推广。尤其是异步电机+变频调速控制器为代表的驱动方式，更是成为主流。这种驱动模式，兼顾了电机结构简单技术可靠的优势，同时兼顾了速度和转矩控制能力，能够适应大多数负载的运行需要。在风机、水泵、压缩机等行业，应用广泛。

交流系统中的动力设备，除了交流异步电机，还有一个重要的技术路线就是交流同步电机。比较有代表性的是电励磁同步电机和永磁同步电机。电励磁同步电机通过滑环电刷把直流励磁导入转子侧，定子侧需要启动控制系统，可以采用变频调速控制运行，也可以采用异步启动同步运行的方式。电励磁同步电机比较适合大功率驱动工况。永磁同步电机采用永磁体实现转子励磁，这样就取消了滑环电刷结构，定子侧采用跟电励磁同步电机类似的控制系统。交流同步电机的两个技术路线，一个适合大功率驱动(电励磁同步电机)，另一个适合小功率驱动(永磁同步电机)。在众多对性能要求不高的中小功率驱动领域，同步电机相比异步电机存在一定劣势。永磁电机的价格比异步电机高，电励磁同步电机系统复杂性要比异步电机高。由于不同行业的技术性能要求、价格敏感性、使用习惯、行业惯性等多方面原因，目前形成了异步电机、电励磁同步电机、永磁同步电机、直流电机并行存在的局面。

对于使用量最大的交流异步电机调速系统，目前已经很好的解决了负载调速需求的痛点，但是异步电机由于自身技术原理的原因，转子侧需要定子侧提供被动励磁电流，这造成了在负载率较低时，异步电机电流偏大，功率因数很低，异步电机的空载电流约为额定电流的40-50％，而永磁同步电机空载电流只有额定电流的5-10％。由此造成异步电机轻载时候的铜损耗更大，效率更低。当负载率低于60％时，异步电机效率相比额定工作点效率大幅度下降。对于风机水泵类负载，当转速下降50％，负载转矩下降为额定转矩的25％，输出功率下降为额定功率的12.5％，如此低的负载率，异步电机的实际效率相比额定效率至少下降20-30％，因此变频调速虽然实现了系统节能，但是更多节约的是风机水泵类负载本身的能耗，而没有降低异步电机自身的能耗。

目前主流的异步电机变频调速系统如图1所示，其实现变频调速的原理为，三相工频交流电源经过三相全桥整流模块，得到直流电压。再经过三相桥式逆变器，给异步电机馈电。异步电机一般具有三相绕组U,V,W。变频调速控制器的矢量控制算法集成在MCU控制模块内。通过采集直流电压、直流电流、交流电流，以及实测或者估算的转子位置，经过帕克变换和克拉克变换，把三相交流电流转换为DQ两相电流，进而根据速度环和电流环的控制目标，调节电流矢量，实现变频调速控制。

从控制器输出给异步电机的端口电量来看，三相绕组馈入三相交流PWM调制波，根据调速控制的需求，馈电频率发生变化，异步电机实际运行转速为馈电频率对应同步转速与转差速度之和。

目前主流的异步电机变频调速系统已经较好的解决了负载调速需求，能够根据负载需要，进行速度和转矩控制。由于电机转速可以灵活调节，因此在风机、水泵、压缩机械等行业得到广泛应用。但是异步电机变频调速技术的节能并没有降低电机本身的能耗，而是通过降低负载功率需求实现的节能。对于变负载和长期轻负载的工况，异步电机轻载低效的问题并没有解决，最为常见的风机水泵变频调速系统中，降低异步电机转速的同时，负载率也会大幅度下降，此时异步电机变频调速系统自身的轻载效率很低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变频变拓扑调速电机控制系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种变频变拓扑调速电机控制系统，包括整流逆变单元、可变拓扑电机和控制单元；所述可变拓扑电机包括多个绕组极相组和设置在各绕组极相组中用于控制各个绕组极相组通断的第一电力电子组件；所述控制单元包括电压传感器、电流传感器、AD转换器、交流电量传感器、直流电量传感器和中央控制芯片；各所述绕组极相组上分别连接有一个电流传感器和一个电压传感器，同一个绕组极相组上连接的电压传感器和电流传感器均与一个AD转换器相连，各所述AD转换器均与所述中央控制芯片相连；各所述绕组极相组内的第一电力电子组件均与所述中央控制芯片相连；所述整流逆变单元包括整流单元、逆变单元和设置在逆变单元中的第二电力电子组件；所述整流单元与所述逆变单元串联连接；所述整流逆变单元与所述可变拓扑电机相连，所述整流逆变单元上连接有交流电量传感器和直流电量传感器，所述交流电量传感器、所述直流电量传感器和所述逆变单元中的第二电子电力组件均与所述中央控制芯片相连。

优选的，所述第一电力电子组件包括多个第一电力电子器件；各所述绕组极相组之间串联连接或并联连接；各绕组极相组的三相绕组之间采用Y型连接或△型连接；各所述绕组极相组之间的连接状态以及各绕组极相组的三相绕组之间的连接状态均通过第一电力电子组件的通断状态决定。

优选的，所述第二电力电子组件包括多个第二电力电子器件；所述整流单元和所述逆变单元经主路串联连接，所述逆变单元包括并联在主路上的三相，各相上分别串联有至少两个第二电力电子器件，各所述绕组极相组的三相分别连接在所述逆变单元的三相上；所述交流电量传感器连接在其中一相上，所述直流电量传感器连接在主路上。

优选的，中央控制芯片内部设置有至少一个最优拓扑结构，中央控制芯片内部设置有至少一个最优拓扑结构，该最优拓扑结构对应的电压和电流分别为预设电压和预设电流，中央控制芯片对比电压传感器和电流传感器传递而来的电压信号和电流信号以及预设电压和预设电流，当电压达到预设电压且电流达到预设电流后，中央控制芯片控制相应的第一电力电子器件通断，达到此电压和电流条件下的最优拓扑结构。

优选的，可变拓扑电机在进行最优拓扑结构切换时，中央控制芯片根据可变拓扑电机的输出频率以及所述交流电量传感器和所述直流电量传感器传递而来的电量信息对比预设交流电量、预设直流电量和预设输出频率，当交流电量达到预设交流电量、直流电量达到预设直流电量且逆变单元的输出频率达到预设输出频率时，中央控制芯片控制相应的第二电力电子器件通断，以实现可变拓扑电机进行最优拓扑结构切换时，整流逆变单元的最优电压输出。

优选的，电力电子器件为晶闸管或可控硅或IGBT。

本发明的有益效果是：1、根据供电电压和负载需求的变化，自动调整电机绕组拓扑，满足效率最优、功率因数最优的目标。2、通过电机和整流逆变单元的灵活配置，满足不同负载的调速控制和节能需求；能够自动跟踪适应变化，通过基于矢量变化控制技术的逆变模块，满足负载转速变化的需求，通过绕组拓扑动态切换控制技术，满足不同转矩负载下效率最优的需求以及满足电机宽广调速范围的需求；从而实现系统实时效率最优的控制目标，使电机始终维持在最高效率点，这样就可以保证在全负载范围以及不同供电电压条件下，效率始终维持在最大值，节电效果显著；尤其是对于长期处于轻负载和变化负载的工况条件下，节能效果更加明显，综合节电率可达20-30％以上。3、通过将变频调速技术和无触点变拓扑技术进行有机组合，可以将传统变频调速系统的调速范围进一步扩大，电机的调速范围会更宽，当需求高速运行的时候，只要把电机绕组切换到高速拓扑，此时就可以实现更高转速的变频调速运行；使得轻载工况下，电机电流更小，从而使得变频调速模块的导通损耗和开关损耗更小，效率更高，提高了整个调速系统的效率。4、可以将变频调速技术和无触点变拓扑技术进行有机组合，应用到更多需要变频调速的负载设备中，例如风机水泵压缩机等。

附图说明

图1是异步电机变频调速系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中变频变拓扑调速电机控制系统的结构示意图；

图3是本发明实施例中第一电力电子器件在绕组极相组内的分布示意图；

图4是本发明实施例中当电机只包含两个绕组极相组时的结构示意图；

图5是本发明实施例中当电机只包含两个绕组极相组时的电力电子状态统计表；

图6是本发明实施例中当电机包含三个绕组极相组时的结构示意图；

图7是本发明实施例中当电机包含三个绕组极相组时的前16种拓扑结构的电力电子状态统计表；

图8是本发明实施例中当电机包含三个绕组极相组时的后16种拓扑结构的电力电子状态统计表。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图2所示，本实施例中，提供了一种变频变拓扑调速电机控制系统，包括整流逆变单元、可变拓扑电机和控制单元；所述可变拓扑电机包括多个绕组极相组和设置在各绕组极相组中用于控制各个绕组极相组通断的第一电力电子组件；所述控制单元包括电压传感器、电流传感器、AD转换器、交流电量传感器、直流电量传感器和中央控制芯片；各所述绕组极相组上分别连接有一个电流传感器和一个电压传感器，同一个绕组极相组上连接的电压传感器和电流传感器均与一个AD转换器相连，各所述AD转换器均与所述中央控制芯片相连；各所述绕组极相组内的第一电力电子组件均与所述中央控制芯片相连；所述整流逆变单元包括整流单元、逆变单元和设置在逆变单元中的第二电力电子组件；所述整流单元与所述逆变单元串联连接；所述整流逆变单元与所述可变拓扑电机相连，所述整流逆变单元上连接有交流电量传感器和直流电量传感器，所述交流电量传感器、所述直流电量传感器和所述逆变单元中的第二电子电力组件均与所述中央控制芯片相连。

本实施例中，所述第一电力电子组件包括多个第一电力电子器件；各所述绕组极相组之间串联连接或并联连接；各绕组极相组的三相绕组之间采用Y型连接或△型连接；各所述绕组极相组之间的连接状态以及各绕组极相组的三相绕组之间的连接状态均通过第一电力电子组件的通断状态决定。

本实施例中，所述第二电力电子组件包括多个第二电力电子器件；所述整流单元和所述逆变单元经主路串联连接，所述逆变单元包括并联在主路上的三相，各相上分别串联有至少两个第二电力电子器件，各所述绕组极相组的三相分别连接在所述逆变单元的三相上；所述交流电量传感器连接在其中一相上，所述直流电量传感器连接在主路上。

本实施例中，中央控制芯片内部设置有至少一个最优拓扑结构，中央控制芯片内部设置有至少一个最优拓扑结构，该最优拓扑结构对应的电压和电流分别为预设电压和预设电流，中央控制芯片对比电压传感器和电流传感器传递而来的电压信号和电流信号以及预设电压和预设电流，当电压达到预设电压且电流达到预设电流后，中央控制芯片控制相应的第一电力电子器件通断，达到此电压和电流条件下的最优拓扑结构。

本实施例中，可变拓扑电机在进行最优拓扑结构切换时，中央控制芯片根据可变拓扑电机的输出频率以及所述交流电量传感器和所述直流电量传感器传递而来的电量信息对比预设交流电量、预设直流电量和预设输出频率，当交流电量达到预设交流电量、直流电量达到预设直流电量且逆变单元的输出频率达到预设输出频率时，中央控制芯片控制相应的第二电力电子器件通断，以实现可变拓扑电机进行最优拓扑结构切换时，整流逆变单元的最优电压输出。

本实施例中，电力电子器件为晶闸管或可控硅或IGBT。

结合附图2和附图3可以看出，变拓扑电机中包括N个绕组极相组；其中，针对第一个绕组极相组，其内部设置的电力电子组件一共包含有四组电力电子器件，分别为图中所示的第一组、第二组、第三组和第四组，其中第一组包括三个电力电子器件；第二组包括三个电力电子器件，第三组包括两个电力电子器件、第四组包括三个电力电子器件；而第一组和第四组的电力电子器件(包含UVW三相)用来实现每相绕组内，不同绕组匝数串联、并联或断开；第二组和第三组的电力电子器件(包含UVW三相)用来实现不同相绕组之间Y接和△接的切换。

多绕组异步电机的最优拓扑实现过程如下：由于电机的性能跟电机绕组匝数、绕组极相组之间的串并联结构、绕组极数等直接相关。因此，在前期匹配阶段，可以通过负载工况调研，总结出实际可能的负载和供电环境，供电电压可能有变化，比如Umin和Umax之间波动，比如负载率可能在轻载、额定负载、重载之间波动。由于通过改变绕组拓扑结构，电机对外端口的等效匝数会发生变化，这样就能更好的适应不同供电电压和不同负载，从而满足更好的电气性能，包括更高的效率，更高的功率因数，更宽的适应范围。下面举例说明：

通过以上调研，假设有如下四种工况：

工况1：供电电压较低Umin，负载较轻，此时通过匹配设计，得到等效匝数N1，采用1#拓扑时，电机性能最好，此时效率更高，功率因素更高；

工况2：供电电压较低Umin，额定负载，此时通过匹配设计，得到等效匝数N2，采用2#拓扑时，电机性能最好；

工况3：供电电压较高Umax，负载较轻，此时通过匹配设计，得到等效匝数N3，采用3#拓扑时，电机性能最好；

工况4：供电电压较高Umax，额定负载，此时通过匹配设计，得到等效匝数N4，采用4#拓扑时，电机性能最好；

以上，总计有4种工况，对应1#到4#总计4种拓扑结构。

通过电压传感器检测供电电压，通过电流传感器估算电机负载，并根据这两个变量，以及以上内置的判断逻辑，根据检测电压和电流，决定何时进入1#到4#拓扑结构。

哪种拓扑最优，完全是根据对负载特性和供电环境的调研，和电机电磁分析得到的，对所有可能的工况及其对应的拓扑结构需要提前分析，并将算法和控制逻辑嵌入到中央控制芯片。之后，中央控制芯片通过电流传感器和电压传感器传递而来的电流和电压，进而匹配相应的拓扑结构，实现电机内部拓扑结构的切换；从而使电机内部拓扑结构实时最优。

本实施例中，结合上述多绕组异步电机最优拓扑实现过程，本发明将异步电机的变频调速系统与异步电机的变拓扑过程相结合，采用整流逆变单元配合变拓扑的多绕组异步电机(不局限于多绕组异步电机，永磁电机或者其他电机也可以)的技术路线，在变频调速的同时，根据变速过程中负载转矩的变化，动态调整多绕组电机的拓扑结构，使得多绕组电机功率因数和效率始终保持在最大值，从而提高轻负载和变负载工况下的调速驱动系统效率，实现进一步节能降耗的目标。

本实施例中，在运行过程中，多绕组电机拓扑变换时，存在电压和电流的冲击，因此整流逆变单元和可变拓扑电机需要协同控制，实现拓扑切换过程中，通过以上协同控制，即可实现多绕组电机的变速变拓扑控制，从而满足负载调速需要的同时，大幅度提升了轻负载和变负载工况的驱动系统综合能效。整流逆变单元和变拓扑多绕组异步电机的协同控制主要体现在如下几个方面：

方面1：当进行拓扑切换的时候，在从拓扑1切换到拓扑2的瞬间，可能存在电流冲击，这里的协调控制指，在切换拓扑瞬间，逆变单元输出的逆变电压，可以通过PWM调制方法，降低瞬间的输出电压，这样可以降低电流的冲击和突变，等待进入拓扑2以后，逆变单元再恢复正常电压输出；该过程是中央控制芯片通过逆变单元的输出频率(即对应可变拓扑电机的转速)以及交流电量传感器和直流电量传感器传递而来的电量信号对比预设交流电量、预设直流电量和预设输出频率，当交流电量达到预设交流电量、直流电量达到预设直流电量且逆变单元的输出频率达到预设输出频率时，中央控制芯片控制相应的第二电力电子器件通断，以实现可变拓扑电机进行最优拓扑结构切换时，控制整流逆变单元的瞬时输出电压。

方面2：整流逆变单元和变拓扑多绕组异步电机的协同控制还体现在，当电机转速需要大范围调节的时候，除了整流逆变单元进行变频之外，变拓扑电机还可以根据需要，改变拓扑结构，适应大范围变频调速的需要。

实施例二

如图4和图5所示，不同的应用场景中，对电机内部绕组拓扑结构的需求不尽相同。为了更加详细的阐述控制过程，下面以比较简单的某型电机拓扑为了说明。如图4所示，电机具有2个极相组，两个极相组之间通过改变电力电子器件的导通性实现拓扑的改变，两个电机极相组可以串联也可以并联，每个极相组内部三相绕组之间可以Y型连接也可以△型连接，这样通过自有组合就可以有2(串联/并联)×2(1#极相组Y/△)×2(2#极相组Y/△)＝8种拓扑结构，以上8种绕组拓扑结构中，每个方案电机的“功率-转速”曲线，“效率-转速””以及“扭矩-转速”曲线都是不同的，同时以上每个方案对应的最佳供电电压也是不同的，通过绕组定制化设计，以上8种拓扑对应的电机极数和电机同步转速也可以不同，这样还可以实现电机的大范围变速运，即通过将变多拓扑技术和变频技术结合，可以传统变频调速技术基础上，进一步扩大调速范围。

图中引出线为电力电子器件的门/栅极控制信号，图中19根引出线，从左到右依次用G1-G19表示，并且用1表示该电力电子器件导通，0表示该电力电子器件断开。进一步通过调整G1-G19的导通和关断状态，就可以实现8种拓扑变化，具体如图5所示。这8种绕组拓扑状态中，每个状态对应的电机“功率-转速”曲线，“转矩-转速”曲线，“效率-负载”曲线都是不同的，通过仿真计算或者实测的方式可以得到以上数据，再从中选择最好的性能状态跟电机负载需求进行匹配，通过检测电机供电电压和负载电流的变化，来切换到最佳的拓扑结构，从而实现负载与电机性能的最佳匹配，实现系统最优。

实施例三

本实施例中，参见图6至图8，针对图6中电机包括三个极相组，三个电机极相组可以串联也可以并联，每个极相组内部三相绕组之间可以Y型连接也可以△型连接，通过切换每个绕组极相组的串并联状态和Y/△连接状态，可以实现总计32种以上的拓扑结构，图7和图8中一共记录了32种拓扑构型。如果绕组极相组数量从3组进一步提高到4组甚至更多，类似的可以得到更多的绕组拓扑状态，具体根据每个电机需要，从以上可能的拓扑中选取即可。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明提供了一种变频变拓扑调速电机控制系统，根据供电电压和负载需求的变化，自动调整电机绕组拓扑，满足效率最优、功率因数最优的目标。通过电机和整流逆变单元的灵活配置，满足不同负载的调速控制和节能需求；能够自动跟踪适应变化，通过基于矢量变化控制技术的逆变模块，满足负载转速变化的需求，通过绕组拓扑动态切换控制技术，满足不同转矩负载下效率最优的需求以及满足电机宽广调速范围的需求；从而实现系统实时效率最优的控制目标，使电机始终维持在最高效率点，这样就可以保证在全负载范围以及不同供电电压条件下，效率始终维持在最大值，节电效果显著；尤其是对于长期处于轻负载和变化负载的工况条件下，节能效果更加明显，综合节电率可达20-30％以上。通过将变频调速技术和无触点变拓扑技术进行有机组合，可以将传统变频调速系统的调速范围进一步扩大，电机的调速范围会更宽，当需求高速运行的时候，只要把电机绕组切换到高速拓扑，此时就可以实现更高转速的变频调速运行；使得轻载工况下，电机电流更小，从而使得变频调速模块的导通损耗和开关损耗更小，效率更高，提高了整个调速系统的效率。可以将变频调速技术和无触点变拓扑技术进行有机组合，应用到更多需要变频调速的负载设备中，例如风机水泵压缩机等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。