[发明专利]永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器及控制方法

说明书

本发明公开电力电子领域中的永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器及控制方法，包括连接电网单相整流电路单元和连接永磁同步电机的三相逆变器，还包括由第一、第二电感，薄膜电容，第五二极管、第六二极管、第七二极管和第一、第二开关管组成的有源功率缓冲电路，采用有源功率缓冲电路控制电网输出电流跟踪电网电压变化，当电网输出功率大于电机输入功率时，电网通过三相逆变器直接向电机供电，有源功率缓冲电路吸收电网多余脉动能量，当电网输出功率小于电机输入功率时，有源功率缓冲电路释放能量用于电机工作，在保证电机运行性能的前提下，实现电网侧功率因数近似为1的运行，且电网输出电流的谐波低于5％，提高驱动系统的使用寿命。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种用于永磁同步电机驱动系统的功率变换器及其控制方法。

背景技术

永磁同步电动机(Permanent magnetic synchronous machine，PMSM)具有结构简单、功率密度大、维护方便等优点，在家用电器、工业生产、汽车驱动等领域已逐步取代直流有刷电机和异步电机。目前，PMSM的驱动系统普遍采用附图1所示的电压源型逆变器，它使用大容值电解电容吸收电网脉动功率，以稳定直流母线电压，实现电机高性能运行。然而，电解电容的使用寿命仅有8000小时(85℃)，并随着工作温度的增加快速下降，从而导致电机驱动系统的寿命和可靠性下降。有文献记载表明：60％的电压源型逆变器故障是电解电容失效造成。为解决这一问题，一般使用长寿命、高可靠性的薄膜电容替代电解电容，但受成本约束，电机驱动系统仅能使用低容值的薄膜电容，而它无法有效吸收电网的脉动功率，直流母线电压存在大幅度波动，导致电机输出功率、转矩脉动增加，严重降低了电机的动态和静态性能，限制了无电解电容功率变换器在电机驱动领域的应用。目前，已有的基于Z源逆变器的无电解电容功率变换器利用Z源网络实现薄膜电容替代电解电容，但是存在器件多、电感制作难度大、控制复杂、电网侧电能质量差、仅适用于大惯性负载等缺点；升压型有源功率解耦电路可以实现电机驱动系统的功率平衡，但是母线电压的提升增加了三相逆变器的成本。在直流母线上并联功率处理电路可以在电网电压较低时降低母线电压波动，但存在电网侧功率因数低、电流谐波含量大的缺点。为此，如何设计出能提高电机运行性能的无电解电容功率变换器是本领域的难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于永磁同步电机驱动系统的新型无电解电容功率变换器及其控制方法，通过新型有源功率缓冲电路，匹配相应的控制策略，可以用无电解电容取代电解电容实现驱动系统功率解耦，从而提高电机驱动系统的寿命和可靠性。

为实现上述目的，本发明永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器采用如下技术方案：包括连接电网单相整流电路单元和连接永磁同步电机的三相逆变器，还包括由第一电感、第二电感，薄膜电容，第五二极管、第六二极管、第七二极管和第一开关管、第二开关管组成的有源功率缓冲电路，单相整流电路单元的输出正极与第一电感的一端连接、输出负极同时与第七二极管的阳极、第二开关管的源极、薄膜电容的负极、三相逆变桥的输入负极连接；第二开关管的漏极与第二电感的一端、第六二极管的阳极连接，第七二极管的阴极与第二电感的另一端连接，同时与第一开关管的源极连接；第一开关管的漏极与第一电感的另一端、第五二极管的阳极连接，第五二极管的阴极和薄膜电容的正极连接，同时与第六二极管的阴极、三相逆变器的输入正极连接。

本发明永磁同步电机驱动系统无电解电容功率变换器的控制方法采用如下技术方案：通过对第一开关管、第二开关管的导通、关断实现电网电流跟踪电网电压变化；采用有源功率缓冲电路吸收电网脉动功率。

进一步地，当电网输出电流i_g与设定参考电流之差小于-ΔI，导通第一开关管和第二开关管，薄膜电容通过三相逆变器给电机提供能量，直至电网输出电流i_g大于时结束，ΔI为电流滞环宽度；当电网输出电流i_g大于时，关断第一开关管和第二开关管，电网、第一电感串联给电机提供能量，第二电感经第六二极管、第七二极管将剩余的能量存储在薄膜电容中，直至电网输出电流i_g小于时结束。