對稱六相PMSM雙電機串聯系統直流母線電壓利用率的研究

韓浩鵬，劉陵順，張少一

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對稱六相PMSM雙電機串聯系統直流母線電壓利用率的研究

韓浩鵬，劉陵順，張少一

（海軍航空工程學院控制工程系，山東煙臺 264001）

對稱六相PMSM雙電機串聯系統由一臺對稱六相PMSM串聯另一臺三相PMSM，在同一臺六相電壓源逆變器驅動下實現解耦運行。直流母線電壓利用率的提高是該串聯系統的關鍵問題之一。本文計算出了對稱六相PMSM雙電機串聯系統逆變器工作在線性調制區的臨界條件，分析了零序信號注入提高載波PWM直流母線電壓利用率的方法，并通過Mtalab/Simulink仿真對幾組工作點進行了驗證。

對稱六相PMSM 三相PMSM 載波PWM 零序信號注入 直流母線電壓利用率

0 引言

在船舶推進、多電飛機、機車牽引以及造紙卷繞系統中需要用到多電機傳動方法。近年來提出的對稱六相PMSM雙電機串聯系統是由對稱六相PMSM和三相PMSM串聯構成的，該系統可以實現在同一臺逆變器驅動下兩臺電機的解耦獨立運行。由于對稱六相PMSM雙電機串聯系統是通過同一臺六相逆變器供電的，直流母線電壓相對于傳統逆變器驅動單臺電機系統將有所提高。固此，對于該串聯系統逆變器工作在線性調制區內如何提高直流母線利用率是一個值得研究的問題[1]。

傳統的逆變器控制方法包括電流滯環PWM、載波調制PWM和SVPWM技術。其中載波調制PWM方法簡單，易于實現，但在線性調制區內直流母線電壓利用率較低。SVPWM技術在線性調制區內可以提高直流母線電壓的利用率，但算法復雜，實現困難。采用零序信號注入的載波調制PWM技術則可以在線性調制區內提高直流母線電壓的利用率[3]，使直流母線電壓利用率達到和SVPWM相同的水平[2]。這種方法分別在單逆變器驅動五相雙電機串聯系統和單逆變器驅動七相三電機串聯系統中已經得到了驗證。和傳統載波PWM控制相比，這種調制方法在線性調制區內可提高五相雙電機串聯系統及七相三電機串聯系統直流母線電壓利用率分別為5.15%和2.57%[4]。本文采用零序信號注入的載波調制PWM技術，分析了對稱六相PMSM雙電機串聯系統在線性調制區內直流母線利用率提高的情況。

1 對稱PMSM六相雙電機串聯系統

對稱六相PMSM雙電機串聯系統的結構如圖1所示，兩臺電機定子繞組通過一定的相序轉換連接，通過矢量控制策略可以使兩臺電機獨立地實現動態控制[5]。該逆變器的輸出相定義為A,B,C,D,E,F；同時根據定子繞組的分布定義對稱六相電機M1的相定義為a1,b1,c1,d1,e1,f1;三相電機M2的相定義為a2,b2,c2。逆變器的相電壓和兩臺電機各自獨立相電壓的關系為：

固此，逆變器調制信號各相參考電壓可以通過兩臺電機各自相電壓參考值按照公式（1）相加得到：

這里電機的相電壓參考值都設定為正弦信號，可以有任意的頻率和峰值。

2 臨界條件計算

利用這樣的定義電機的相電壓和線電壓可以表示為M的方程式。M表示對稱六相PMSM的調制系數，M表示三相PMSM的調制系數。

在線性調制區，直流母線電壓最大利用率的臨界條件是線電壓峰值等于直流母線電壓。由于三相系統中所有的線電壓峰值都一樣，固此只需考慮任一個線電壓即可。而在多相系統中，則只需要考慮所有峰值不同的線電壓[2]。

對于如圖1所示的對稱六相PMSM雙電機串聯系統而言，對稱六相電機線電壓可定義為：

三相電機的線電壓可定義為：

進一步可推出六相逆變器的線電壓為：

六相逆變器線電壓中有3個峰值是不相同的，只需要進一步分析這3個線電壓即可，則在線性調制區結合（4），（5）和（6）可得到不等式組為：

進一步可得:

3 零序信號注入載波PWM

基于零序信號注入載波PWM結構如圖3所示。和傳統的載波PWM相比，調制信號增加零序信號是為了改善調制信號，增大逆變器的調制范圍，實現與高性能SVPWM同樣的控制性能[3]。

圖2 逆變器線性調制區

圖3 PWM結構圖

對稱六相電機的相電壓參考值定義為：

三相電機的相電壓參考值定義為：

定義該串聯系統的零序信號為：

逆變器調制信號電壓參考值可以設定為：

4 仿真驗證

下面將通過選取不同的(M,M)工作點仿真證明關于線性調制區臨界條件的計算結果。載波頻率設為5 kHz。考慮到對于串聯系統而言串聯電機工作頻率相同時的運行環境最為苛刻，兩組正弦電壓的基波頻率都設為50 Hz。這里載波的峰值設為1，因為逆變器驅動兩臺串聯電機，所以將V設定為2。

選擇工作點A（0.5，0.5），逆變器相關電壓仿真結果如圖4和圖5所示，按照公式（2）得到傳統載波PWM的調制信號參考電壓，按照公式（11）得到零序信號，按照公式（14）得到通過零序信號注入載波PWM的調制信號參考電壓。通過零序信號注入載波PWM，逆變器A相輸出電壓的波形和頻譜如圖6所示。

圖4 傳統載波PWM的調制信號參考電壓和零序信號

圖5 通過零序信號注入載波PWM的調制信號參考電壓

從仿真波形可以看出：傳統載波PWM的調制信號參考電壓峰值等于載波峰值1；通過零序信號注入載波PWM的調制信號參考電壓峰值很明顯低于載波峰值1，輸出電壓不含低次諧波。可以得到結論：（1）傳統載波PWM時，本系統線性調制區最大調制指數為1；（2）零序信號注入的載波PWM時，工作點A處于線性調制區內部。

圖6 逆變器A相輸出電壓波形與頻譜

圖8 通過零序信號注入載波PWM的調制信號參考電壓

選取工作點B（1，0.1547）, 逆變器相關電壓仿真結果如圖7和圖8所示，按照公式（2）得到傳統載波PWM的調制信號參考電壓，按照公式（11）得到零序信號，按照公式（14）得到通過零序信號注入載波PWM的調制信號參考電壓。通過零序信號注入載波PWM，逆變器A相輸出電壓的波形和頻譜如圖9所示。

從仿真波形可以看出：通過零序信號注入載波PWM的調制信號參考電壓峰值等于載波峰值1，輸出電壓不含低次諧波。可以得到結論:零序信號注入的載波PWM調制時，本系統線性調制區最大調制指數為1.1547。

選取工作點C (0.7,0.7), 逆變器相關電壓仿真結果如圖10和圖11所示，按照公式（2）得到傳統載波PWM的調制信號參考電壓，按照公式（11）得到零序信號，按照公式（14）得到通過零序信號注入載波PWM的調制信號參考電壓。通過零序信號注入載波PWM，逆變器A相輸出電壓的波形和頻譜如圖12所示。

圖9 逆變器A相輸出電壓波形和頻譜

圖10 傳統載波PWM的調制信號參考電壓和零序信號

圖11 通過零序信號注入載波PWM的調制信號參考電壓

圖12 逆變器A相輸出電壓波形與頻譜

從仿真波形可以看出：通過零序信號注入載波PWM的調制信號參考電壓峰值很明顯大于載波峰值1，輸出電壓含有3、5、7、9次低次諧波。可以得到結論:零序信號注入的載波PWM調制時，C點超出了線性調制區范圍。

5 結語

本文探討了零序信號注入載波PWM提高對稱六相PMSM雙電機串聯系統逆變器直流母線電壓利用率的問題，計算出該串聯系統在線性調制區的最大線性調制指數M=1.154 7。并通過仿真驗證了零序信號注入時可以實現最大線性調制指數M=1.154 7。如果不考慮零序信號注入則M=1，因此通過零序信號注入可以提高15.4%的最大線性調制指數，即可以提高15.4%的直流母線電壓利用率。

[1] D.Dujic, E.Levi, M.Jones. DC bus utilization in multiphase VSI supplied drives with a composite stator phase number. Proc. IEEE int. Conf. on industrial Technology ICIT, Vifia del Mar, Chile, 2010, pp. 1475-1480.

[2] E.Levi. Analytical determination of DC-Bus utilization limits in multiphase VSI supplied AC drives. IEEE Trans.on Energy Conversion, 2008, 23(2): 433-443.

[3] 于飛, 張曉鋒, 喬明忠. 基于零序信號注入的載波型多相PWM控制技術[J]. 電工技術學報, 2009, 24（2）: 127-131.

[4] Emil Levi, Martin Jones．A five-phase two-machine vector controlled induction motor drive supplied from a single inverter [J]．EPEJ, 2004, 14(3): 38-48.

[5] 苗正戈, 劉陵順, 張海洋. 對稱六相永磁同步電動機串聯驅動系統[J]. 電機與控制應用, 2011, 38（7）: 17-21.

Research on DC-bus Utilization of Driver System with Symmetrical Six-phase Two-motor Connected in Series

Han Haopeng, Liu Lingshun, Zhang Shaoyi

（Department of Control Engineering, Naval Aeronautical and Astronautical University, YanTai 264001, Shandong, China）

TM351

A

1003-4862（2014）02-0006-04

2013-02-25

國家博士后科學基金（20090450205），山東省自然科學基金（ZR2010EM029）,國家博士后特別資助項目（201104769）

韓浩鵬（1988-），男，碩士。研究方向：電力電子與電力傳動。