采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法

摘要

本发明涉及一种采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法。当电机电压随频率升到额定值时，即对交流电动机定子绕组施以Y/YY变换，以降低每相绕组串联匝数至原匝数的一半，同时减小绕组供电电压一半，使绕组重新获得相当于一倍电压的提升空间，系统恒转矩调速范围在新的绕组连接方式下得以延拓一倍。本发明实现了在不提升电源电压，不增加逆变电路半导体开关器件数量的条件下扩大电机恒转矩调速范围的目的，并且Y/YY变换前后的绕组电压相位仍保持不变，给控制带来了便利。

权利要求

1.一种采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法，其特征在于，将三相交流电动机的每相绕组分为完全相同的两部分绕组，当三相绕组为Y连接时，每相的两部分绕组首尾串连；当三相绕组为YY连接时，每相的两部分绕组并联，即首–首相连，尾–尾相连，使得并联后的绕组匝数较串联的绕组匝数少一半，而导电面积增加一倍；Y/YY变换时机为：当三相交流电动机电压随频率升到额定值时，即对三相交流电动机定子绕组施以Y/YY变换，使得每相绕组串联匝数减少至原匝数的一半，并同时降低施加于绕组的供电电压一半，相当于使绕组重新获得一倍电压的提升空间，因此三相交流电动机调速系统的恒转矩调速范围得以延拓一倍；由于对三相交流电动机定子绕组施以Y/YY变换，使得每相绕组串联匝数减少至原匝数的一半，并同时降低施加于绕组的供电电压一半，为此，须相应降低PWM的调制度M值一半，使相电压在Y/YY变换后由UN降为UN/2，以保持气隙磁通Φm为恒值。

2.根据权利要求1所述的采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法，其特征在于，该方法具体实现过程如下：

提供一交流电动机恒转矩变频调速系统，包括DSP控制单元、三相交流电动机、速度传感器、Y/YY变换控制电路、变频电源电路，所述DSP控制单元用于控制Y/YY变换控制电路使得三相交流电动机三相绕组进行Y/YY变换；变频电源电路通过Y/YY变换控制电路为三相交流电动机供电，速度传感器用于检测三相交流电动机转速；

设UYφ为三相交流电动机绕组在Y连接下的相电压，UYYφ为YY连接下的相电压；当三相交流电动机供电频率f1升至额定值f1N时，此时对应三相交流电动机同步转速为n1N，PWM调制度M为1，三相交流电动机相电压Uφ达额定值UN，通过Y/YY变换控制电路对三相交流电动机绕组施以Y/YY变换操作，即由Y连接变为YY连接，此时三相交流电动机每相绕组串联匝数减少一半，为使变换前后三相交流电动机气隙磁通Φm不变，应使绕组相电压也下降一半，即UYYφ＝UYφ/2＝UN/2；为此，须相应降低PWM的调制度M值一半，即M＝1/2，使相电压在Y/YY变换后由UN降为UN/2，以保持气隙磁通Φm为恒值，即Φm＝ΦmN；之后随着f1由f1N提升至2f1N，调制度M值再由M＝1/2上升至M＝1，对应三相交流电动机相电压UYYφ由UN/2上升至额定值UN，其效果相当于施加于三相交流电动机的电压额定值提升至原值的2倍，恒转矩调速范围也因此扩大为原值的2倍；当转速由高向低反向变化时的控制亦然。

3.根据权利要求2所述的采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法，其特征在于，为避免三相交流电动机转速在n1N附近波动引起频繁Y/YY变换操作，设置两个Y/YY变换的切换转速n1N与n'1N，n1N为转速增大变化时，对三相交流电动机绕组施行Y→YY变换操作的临界转速；n'1N为转速减小变化时，施行YY→Y反变换操作的临界转速；且Δn1＝n1N-n'1N。

4.根据权利要求2所述的采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法，其特征在于，当三相交流电动机绕组进行Y→YY变换操作时，需通过DSP控制单元控制变频电源电路封锁变频输出，待变换完成后，再开启变频输出，反之，当三相交流电动机绕组进行YY→Y的反变换操作时亦然。

5.根据权利要求2至4任一所述的采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法，其特征在于，所述Y/YY变换控制电路包括第一至第三单刀双掷开关、第四开关、第五开关；第一单刀双掷开关固定端与U相绕组的第二部分绕组的首端连接，第一单刀双掷开关的第一切换端与U相绕组的第一部分绕组的尾端及第四开关的一端连接，第一单刀双掷开关的第二切换端与U相绕组的第一部分绕组的首端连接；第二单刀双掷开关固定端与V相绕组的第二部分绕组的首端连接，第二单刀双掷开关的第一切换端与V相绕组的第一部分绕组的尾端、第五开关的一端及第四开关的另一端共三端相连接，第二单刀双掷开关的第二切换端与V相绕组的第一部分绕组的首端连接；第三单刀双掷开关固定端与W相绕组的第二部分绕组的首端连接，第三单刀双掷开关的第一切换端与W相绕组的第一部分绕组的尾端及第五开关的另一端连接，第三单刀双掷开关的第二切换端与W相绕组的第一部分绕组的首端连接；U相绕组的第二部分绕组的尾端、V相绕组的第二部分绕组的尾端、W相绕组的第二部分绕组的尾端相互连接。

说明书

采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电力电子学、DSP技术、电机与电器领域，具体为一种采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法。

背景技术

[0002] 现有交流电动机变频调速系统在基频(50HZ)以下的恒转矩调速范围受到电机额定电压的强力制约，当电压随转速(或频率)升到额定电压UN时，恒转矩调速即达到极限，尽管之后仍可以继续提升输出频率以提升转速，但必须降低励磁，使转矩随着转速升高而下降，属于恒功率性质的调速，不能满足高速(基频以上)情况下仍保持恒转矩输出的驱动要求。例如，电动汽车、高速列车所受到的空气阻力随运行速度的平方递增，当运行速度升到某一数值时，空气阻力将占全部运行阻力的主要部分。因此，扩大交流电机的恒转矩调速范围，使高速条件下仍具有大的输出转矩，对于实现重载下的高速运行具有重要意义。

[0003] 目前为扩大交流电机恒转矩调速范围主要采取提升电机额定电压的办法，由此涉及到电源电压、功率半导体器件耐压等级也应作相应的提升。然而，提升功率半导体器件耐压面临多种因素制约，除制造技术外，使用中过高的du/dt将对功率半导体器件可靠性及电机绝缘带来不利影响。目前国内外采用三电平逆变技术解决这一矛盾[1-16]，可使每个功率半导体器件的耐压值减半，有效降低器件的du/dt，并带来改善输出电压波形质量的好处。但又伴生出中性点电位(neutralpointpotential)波动的问题[4-10]。随着逆变输出电压与电流增大，或在低功率因数运行情况下，中性点电位波动加剧，甚至引起低频震荡，致使逆变性能恶化。此外，功率半导体器件使用数量增加一倍，且电平数越多，所需的器件数就越多，成本也越高，伴随而来的控制愈加复杂，可靠性成为问题[11-15]。

[0004] 采用单元串联式多电平逆变技术也是另一行之有效的方法[16][17]。该方法具有谐波污染小、输入功率因数高、输出波形好、du/dt低的优点，但同样存在串联单元数多，控制复杂的缺点，并且每个串联单元须由一个独立的、相位错开一定角度的变压器二次绕组供电，所需二次侧绕组数量与串联单元数相同，且绕组联结复杂，使该附加变压器又额外占用很大成本与空间。

[0005] 直接减少电机绕组匝数也可视为扩大恒转矩调速范围的一个途径，但是该方法势必让低速运行时的PWM处于极度深调状态，即要求更多地降低调制度M值，带来总谐波失真THD增大[18-21]、死区效应更加突出的负面效应，严重削弱低速性能。

[0006] 文献[22]-[26]采用了变极与变频相结合的办法扩大电机恒功率的调速范围，但恒转矩调速范围依旧不变。该方法仅适用于转矩随转速反比下降的负载类型。在控制上须采用两套逆变电源分别对电机两套三相绕组即六相绕组供电，使功率半导体器件数增加一倍，此外，为使两套绕组的电流处于良好的平衡状态所采取的控制也较为复杂。

[0007] 文献[27]采用了Y/△绕组变换方法扩大交流电动机恒转矩变频调速范围，该方法具有成本低，控制较简单等诸多优点，但是其恒转矩变频调速扩大范围只限于 倍，并且在进行Y/△变换前后须考虑绕组相电压π/6的相位移，否则会引起较大的瞬态电流，威胁功率半导体器件的安全。

[0008] 综上所述，现有扩大恒转矩调速范围的技术案及缺点如下：

[0009] 1、采用三电平逆变技术。该技术通过增加每个桥臂所用功率半导体开关器件数量的办法，提升桥臂承受的直流母线的电压的能力，以此提升逆变输出电压，达到扩大电机恒转矩调速范围的目的。但功率半导体器件使用数量随之增加一倍，且电平数越多，所需的器件数就越多，伴随而来的是成本及控制复杂度增加，可靠性也是一大问题。

[0010] 2、采用单元串联式多电平逆变技术。该技术通过对各逆变单元进行串联叠加的办法提升总的逆变输出电压，以此达到扩大电机恒转矩调速范围的目的。所用逆变单元串联数越多，则输出电压越大，但所用功率半导体器件数量及控制复杂性也随之增加，并且每个逆变单元须由一个独立的、相位错开一定角度的附加变压器二次绕组供电，所需二次侧绕组数量与串联单元数相同，且绕组内部联结复杂，使该附加变压器又额外占用很大成本与空间。

[0011] 3、采用Y/△绕组变换方法的技术[27]。该技术虽然具有成本低，控制较简单等诸多优点，但是其恒转矩变频调速扩大范围限于 倍，并且在进行Y/△变换前后须考虑绕组相电压π/6的相位移，由此附加了相应处理环节。否则会引起较大的瞬态电流，威胁功率半导体器件的安全。

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发明内容

[0041] 本发明的目的在于提供一种采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法，实现了在不提升电源电压，不增加逆变电路半导体开关器件数量的条件下扩大电机恒转矩调速范围的目的，并且Y/YY变换前后的绕组电压相位保持不变，给控制带来了便利。

[0042] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法，将三相交流电动机的每相绕组分为完全相同的两部分绕组，当三相绕组为Y连接时，每相的两部分绕组首尾串连；当三相绕组为YY连接时，每相的两部分绕组并联，即首–首相连，尾–尾相连，使得并联后的绕组匝数较串联的绕组匝数少一半，而导体面积增加一倍；Y/YY变换时机为：当三相交流电动机电压随频率升到额定值时，即对三相交流电动机定子绕组施以Y/YY变换，使得每相绕组串联匝数减少至原匝数的一半，并同时降低施加于绕组的供电电压一半，相当于使绕组重新获得一倍电压的提升空间，因此三相交流电动机调速系统的恒转矩调速范围得以延拓一倍。

[0043] 在本发明一实施例中，由于对三相交流电动机定子绕组施以Y/YY变换，使得每相绕组串联匝数减少至原匝数的一半，并同时降低绕组供电电压一半；为此，须相应降低PWM的调制度M值一半，使相电压在Y/YY变换后由UN降为UN/2，以保持气隙磁通Φm为恒值。

[0044] 在本发明一实施例中，该方法具体实现过程如下：

[0045] 提供一交流电动机恒转矩变频调速系统，包括DSP控制单元、三相交流电动机、速度传感器、Y/YY变换控制电路、变频电源电路，所述DSP控制单元用于控制Y/YY变换控制电路使得三相交流电动机的三相绕组进行Y/YY变换；变频电源电路通过Y/YY变换控制电路为三相交流电动机供电，速度传感器用于检测三相交流电动机转速；

[0046] 设UYφ为三相交流电动机绕组在Y连接下的相电压，UYYφ为YY连接下的相电压；当三相交流电动机供电频率f1升至额定值f1N时，此时对应三相交流电动机同步转速为n1N，PWM调制度M为1，三相交流电动机相电压Uφ达额定值UN，通过Y/YY变换控制电路对三相交流电动机绕组施以Y/YY变换操作，即由Y连接变为YY连接，此时三相交流电动机每相绕组串联匝数减少一半，为使变换前后三相交流电动机气隙磁通Φm不变，应使绕组相电压也下降一半，即UYYφ＝UYφ/2＝UN/2；为此，须相应降低PWM的调制度M值一半，即M＝1/2，使相电压在Y/YY变换后由UN降为UN/2，以保持气隙磁通Φm为恒值，即Φm＝ΦmN；之后随着f1由f1N提升至2f1N，调制度M值再由M＝1/2上升至M＝1，对应三相交流电动机相电压UYYφ由UN/2上升至额定值UN，其效果相当于施加于三相交流电动机的电压额定值提升至原值的2倍，恒转矩调速范围也因此扩大为原值的2倍；当转速由高向低反向变化时的控制亦然。

[0047] 在本发明一实施例中，为避免三相交流电动机转速在n1N附近波动引起频繁Y/YY变换操作，设置两个Y/YY变换的切换转速n1N与n′1N，n1N为转速增大变化时，对三相交流电动机绕组施行Y→YY变换操作的临界转速；n′1N为转速减小变化时，施行YY→Y反变换操作的临界转速；且Δn1＝n1N-n′1N。

[0048] 在本发明一实施例中，当三相交流电动机绕组进行Y→YY变换操作时，需通过DSP控制单元控制变频电源电路封锁变频输出，待变换完成后，再开启变频输出，反之，当三相交流电动机绕组进行YY→Y的反变换操作时亦然。

[0049] 在本发明一实施例中，所述Y-YY变换控制电路包括第一至第三单刀双掷开关、第四开关、第五开关；第一单刀双掷开关固定端与U相绕组的第二部分绕组的首端连接，第一单刀双掷开关的第一切换端与U相绕组的第一部分绕组的尾端及第四开关的一端连接，第一单刀双掷开关的第二切换端与U相绕组的第一部分绕组的首端连接；第二单刀双掷开关固定端与V相绕组的第二部分绕组的首端连接，第二单刀双掷开关的第一切换端与V相绕组的第一部分绕组的尾端、第五开关的一端及第四开关的另一端共三端相连接，第二单刀双掷开关的第二切换端与V相绕组的第一部分绕组的首端连接；第三单刀双掷开关固定端与W相绕组的第二部分绕组的首端连接，第三单刀双掷开关的第一切换端与W相绕组的第一部分绕组的尾端及第五开关的另一端连接，第三单刀双掷开关的第二切换端与W相绕组的第一部分绕组的首端连接；U相绕组的第二部分绕组的尾端、V相绕组的第二部分绕组的尾端、W相绕组的第二部分绕组的尾端相互连接。

[0050] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

[0051] 1、结合Y/YY变换的矢量控制变频调速方法，可显著扩大恒转矩变频调速范围。由于电机Y/YY变换后的绕组串联匝数下降一半，所以相应使恒转矩变频调速范围增加至原范围的2倍，显著提升了电机能量密度。虽然增加了Y/YY变换控制电路环节而使系统略为复杂，但换来了输出功率的大幅提升，利益是显著的。

[0052] 2、既不增加逆变电路的功率半导体器件数量，也不提升电源电压，仅增加了Y/YY变换控制开关。因此，总成本较三电平法及单元串联式多电平法低得多，且控制也较为简单，可靠性得以提升；

[0053] 3、如果采用半导体开关控制Y/YY变换，所需过程仅为微秒数量级，可视为无缝隙变换过程，对调速系统动态性能几无影响，很好地满足高动态性能的控制要求。如果采用低压电器开关控制Y/YY变换，虽然触头动作完成时间需十几毫秒，仍远低于系统时间常数，对动态性能影响也很小。

[0054] 4、本案方法相较于采用Y/△变换扩大恒转矩调速范围的方法[27]具有更大的拓展范围，即达到了2倍的拓展，高于Y/△变换的 倍拓展。因此，电机能量密度提升更显著，并且Y/YY变换前后的绕组电压相位保持不变(Y/△变换则有π/6的相位移)，又给控制带来了便利。不足之处在于Y/YY变换所用开关数量略多于Y/△变换。尽管如此，本案综合优势明显优于采用Y/△变换方法。

附图说明

[0055] 图1为本发明绕组Y/YY连接示意图。

[0056] 图2为本发明结合Y/YY变换的变频调速控制特性。

[0057] 图3为本发明结合Y/YY变换的交流电动机调速系统框图。

[0058] 图4为本发明Y/YY变换控制电路。

[0059] 图5为本发明Y/YY变换控制逻辑框图。

具体实施方式

[0060] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

[0061] 本发明采用Y/YY变换与变频相结合的新方法，以解决扩大恒转矩调速范围的课题。其基本思想是当电机电压随频率升到额定值时，即对交流电动机定子绕组施以Y/YY变换，以降低每相绕组串联匝数至原匝数的一半，同时减小绕组供电电压一半，相当于使绕组重新获得一倍电压的提升空间，系统恒转矩调速范围在新的绕组连接方式下得以延拓一倍，明显高于文献[27]的扩大范围，并且Y/YY变换前后的绕组电压相位保持不变(Y/△变换则有π/6的相位移)，给控制带来了便利。以此实现在不提升电源电压，不增加逆变电路半导体开关器件数量的条件下扩大电机恒转矩调速范围的目的。

[0062] 具体的，本发明提供了一种采用Y/YY变换扩大交流电动机恒转矩变频调速范围的方法，将三相交流电动机的每相绕组分为完全相同的两部分绕组，当三相绕组为Y连接时，每相的两部分绕组首尾串连；当三相绕组为YY连接时，每相的两部分绕组并联，即首–首相连，尾–尾相连，使得并联后的绕组匝数较串联的绕组匝数减少一半，而导体面积增加一倍；Y/YY变换时机为：当三相交流电动机电压随频率升到额定值时，即对三相交流电动机定子绕组施以Y/YY变换，使得每相绕组串联匝数减少至原匝数的一半，并同时降低绕组的供电电压一半，相当于使绕组重新获得一倍电压的提升空间，因此三相交流电动机调速系统的恒转矩调速范围得以延拓一倍。

[0063] 以下为本发明的具体实现过程。

[0064] 调速系统采用三相交流电动机，将每相绕组一分为二，即由匝数、线径、极数、结构完全相同的两部分绕组连接构成一相绕组。当三相绕组为Y连接时，每相的这两部分首尾串连；当三相绕组为YY连接时，则为并联，即首–首相连，尾–尾相连。并联后的绕组匝数较串联的绕组匝数减少一半，而导体面积增加一倍。如图1所示。

[0065] 根据Y/YY变换前后每相电压的变化及与此相关联的PWM调制度M值的改变，得出恒转矩调速范围的延拓机理如图2所示。

[0066] 图2横坐标物理量为电机供电频率f1。设UYφ为电机定子绕组在Y连接下的相电压，UYYφ为YY连接下的相电压。当供电频率f1升至额定值f1N(对应同步转速为n1N，PWM调制度M为1，电机相电压Uφ达额定值UN)时，对电机定子绕组施以Y/YY变换操作，即由Y连接变为YY连接，此时电机每相绕组串联匝数减少一半，为使变换前后电机气隙磁通Φm不变，应使绕组相电压也下降一半，即UYYφ＝UYφ/2＝UN/2。为此，须相应降低PWM的调制度M值一半，即M＝1/
2，使相电压在Y/YY变换后由UN降为UN/2，以保持气隙磁通Φm为恒值，即Φm＝ΦmN。如果在Y/YY变换前后负载不变，则要求电机输出功率不变。因此，在相电压降低一半时，电流随之增加一倍。而YY连接下的绕组导体面积恰为Y连接的2倍，正好满足倍增电流对导体截面积的要求。之后随着f1由f1N提升至2f1N，调制度M值再由M＝1/2上升至M＝1，对应电机相电压UYYφ由UN/2上升至额定值UN，其效果相当于施加于电机的相电压额定值提升至原值的2倍，恒转矩调速范围也因此扩大了相同倍数。

[0067] 根据上述原理，将Y/YY变换与变频相结合可使恒转矩调速范围扩大至原值的2倍。具体实施如下：

[0068] 采用Y/YY变换与变频相结合的交流电动机调速系统框图如图3所示。图中的交流电动机为异步电机或永磁电机。变频电源通过“Y/YY变换控制电路”供电给电机。“Y/YY变换控制电路”由半导体开关器件或低压电器开关组成，具体电路结构如图4所示。该电路通过I/O接口，受控于DSP。当DSP测得电机转速处于0＜n1＜n1N时，控制图4的K1、K2、K3转换开关的常闭触点闭合，K4、K5关断，则电机定子绕组为Y连接；当转速n1升至n1N时，DSP先封锁变频输出，再对“Y/YY变换控制电路”发出指令，对电机施以Y/YY变换操作，使开关K1、K2、K3的常闭触点断开，常开触点闭合，并使K4、K5闭合，则绕组变为YY连接。待Y/YY变换完成后，DSP开启变频输出。根据变换前后磁通不变原则，应下调PWM的调制度M值一半，使UYYφ＝UYφ/2＝UN/2，以保持电机气隙磁通在Y/YY变换前后的Φm＝ΦmN为恒值。当转速由高向低反向变化时的控制亦然。图4中的K1、K2、K3、K4、K5也可采用半导体开关。

[0069] 如前述，由于电机在Y/YY变换前后绕组相电压发生改变，要求控制PWM电压输出大小的参数——调制度M值随变换自动调整，以保持气隙磁通Φm为恒值。为此，在DSP控制程序中设置一个代表绕组不同接法的变量MY/YY，当电机定子绕组为Y连接时，MY/YY＝1；当绕组为YY连接时， 对MY/YY的两种赋值由DSP主程序实现，而又为PWM中断子程序实时引用。中断子程序在计算PWM脉冲前事先将MY/YY与另一变量M*(视在调制度)相乘，得到实际影响PWM输出电压大小的调制度M，即M＝M*×MY/YY，以此实现程序自动根据Y/YY变换前后的绕组匝数变化调整M值，并据此实时计算PWM输出电压。变量M*代表电机相电压的变化范围，其取值范围取决于采用何种PWM算法，如果采用SPWM(sinusoidal  pulse width modulation，SPWM)算法，则M*∈[0,2](视在调制度M*以Udc/2为基值，Udc为直流母线电压，下同)；如果采用SVPWM(space vector pulse width modulation，SVPWM)算法，则此外，为避免转速在n1N附近波动引起频繁Y/YY变换操作，应设置两个Y/YY变换的切换转速n1N与n′1N，n1N为转速增大变化时，对电机定子绕组施行Y→YY变换操作的临界转速；n′1N为转速减小变化时，施行YY→Y反变换操作的临界转速。二者间有一个回差，即Δn1＝n1N-n′1N。

[0070] Y/YY变换控制及相关的MY/YY赋值由DSP主程序承担，控制逻辑如图5所示。主程序由两个循环分支构成，分别依据转速变化情况施行Y/YY的正或反变换操作，并赋予MY/YY变量不同值。在主程序中设置了一个分支转向逻辑控制变量，以控制主程序转向不同分支运行。当测得电机同步转速处于0

[0071] 将上述逻辑结构嵌入现有矢量控制PWM程序中，即可实现Y/YY变换与变频相结合的矢量控制交流电动机的调速功能，可扩大恒转矩调速范围至2倍。

[0072] 以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。