摘要：摘要双模逆变器控制(DMIC)最初是为低电感的表面安装永磁电机(PMSM)提供较宽的恒功率转速范围(CPSR)而开发的。DMIC通过交流电压控制器将公共电压源逆变器(VSI)的输出连接到PMSM。交流电压控制器由三对反平行可控硅整流器(SCR)组成，一对反平行可控硅整流器串联在电机的每个绕组上。在这项工作中，使用相同的基频模型来表明，即使电机绕组电感很大，DMIC也可能具有相当大的损失减少效益。具体地说，它表明SCR在恒功率操作期间使最大瓦特每有效值安培控制。对于任何给定的功率水平和足够大的DMIC速度，rms电机电流可以最小化。固定绕组电感和传统逆变器只能优化为单一的速度和功率水平。通过DMIC的基频模型预测的性能与传统的PMSM驱动器进行了比较，其中电机有足够大的电感来实现无限的CPSR。结果表明，在高速和额定功率下，SCR可使电机电流降低0.7071倍。这将使电机铜损耗降低50%，并使VSI中的传导损耗降低29.3%。在低于额定功率时，SCR使电机/VSI损失减少的百分比甚至更大。

1 引言

     论文使用基频模型来分析正弦反电动势永磁同步电动机在恒功率模式下的性能。该逆变器包括一个通用的VSI，并在逆变器输出和电机之间补充了一个交流电压控制器。交流电压控制器由三对反并联可控硅组成，如图1所示。

                                                   图1 DMIC逆变器拓扑结构

       图1的逆变器被本文的作者称为DMIC，并且已经表明，即使电机电感低，这种配置也会导致无限CPSR。每对可控硅都是一个全交流开关。在稳定状态下，通过开关的电压和电流的基频分量是90°的相位差，反映了开关的无损行为，并引起了SCR的“等效电抗”解释。在每相位基础上，基频相量模型具有如图2所示的形式，忽略绕组电阻。

                                          图2 恒功率模式下的每相基频相量模型

      如图2所示，本文采用的表示法为：

   Nb    基速，rpm；

   N     速度，rpm；

   n      相对速度 = N/NB；

   p      极数

   L      电机电感；

   ΩB    电角度基速，rad/s；

   XB    基速下的电机阻抗（ΩBL）；

   XTHY  可控硅对等效电抗；

  EB    基速下的RMS线-中性反电动势大小；

      相对速度的反电势相量(参考相量)；

    相电流；

 基频逆变电压相量；

    Vdc    直流供电电压；

   Vmax     最大均方根值基频电压；

   δ        逆变器超前角。

       如[3]所述，交流开关的等效电抗不是恒定的，而是随着可控硅的发射角度而变化。SCR的发射角度也控制着电动机的发展功率。由于开关的等效电抗随着发展功率的变化而变化，等效电抗的解释不能推广到与电机绕组串联的一个不固定的等效电感。

      本文有两个目标。首先是要表明DMIC中的SCR比简单地扩展CPSR具有更大的价值。具体地说，它表明，在恒功率操作期间，他们允许电机电流的有效值为任何给定的功率水平最小。因此，DMIC实现了双模式的最优控制。在恒定功率运行期间，DMIC允许“每安培最大瓦数”控制。在基准速度以下，可控硅不会干扰逆变器电压幅度控制，允许在恒转矩操作期间“每安培最大转矩”。第二个目标是展示DMIC逆变器中SCR实现的电流最小化能力，即使在电机电感很高的情况下，也可以使电机电流大大低于普通VSI驱动器。结果表明，通过DMIC实现的最小电流大小与速度无关，与开发功率成正比。对于由VSI驱动的高电感电机，电流大小显示出与速度相关，但实际上与发达功率水平无关。在高速下，与由VSI驱动的相同电机相比，DMIC在电机电流量级上的降低至少为0.7071。电机电流的显著降低不仅降低了铜的损耗，而且还降低了VSI的损耗。对DMIC的经济评估必须忽略由于SCR而增加的第一成本和额外损失，并考虑在驱动器的使用寿命内电机和逆变器的损失减少的总价值。作者正在另一项研究中进行这样的评估。

      高的电机电感，或添加补充串联电感，可以增加CPSR，这并不是新的，如之前的作品[4]-[6]中所述。从图1中移除SCR会产生[7]中所描述的“常规相位提前”(CPA)。为了对比CPA和DMIC的性能，我们首先考虑下面第二节中由CPA驱动的高电感永磁同步电动机的性能。在第三节中，我们将展示由DMIC实现的当前最小化。CPA和DMIC的性能总结在一个单一的图表，绘制了相对速度高于基准速度的归一化有效值电流与归一化显能。

2  由CPA驱动的高电感永磁同步电机

      假设从图1的逆变器中去掉晶闸管，图2的基频模型对于所有工况都具有Xthy=0。该模型表示由CPA驱动的永磁同步电机。给定基本转速下的反电势电压Eb，电机的额定功率Pr，则电机的额定电流为：

      在直流电源电压满足的情况下，电机在基本转速下运行并产生额定功率时，电机的有效值为额定电流。

      Vmax是逆变器施加给电机的最大RMS线-中性基频电压，Xb是机器在基本速度下的电抗。

       当工作在基准速度以上，且相对速度n大于1，同时产生功率P时，则从中P求出逆变器超前角：

      是可以开发的最大功率。显然Pmax必须大于或等于额定功率Pr。在汽车应用中，可指定的最小值Pmax。由高机器电感产生的低值意味着提供超过额定功率的加速功率或提供超过额定功率的再生制动能力的余地很小。

由式(4)可知，δ与速度无关，即不依赖于，因此恒功率控制就是保持逆变器超前角恒定的简单问题。不幸的是，电机电流大小的均方根并不一定表现良好。对于基频模型，电流大小的均方根为

      为确保由(6)给出的均方根电流不超过(2)中的额定值，基本速度电抗Xb必须足够大。由(6)可知

      将(7)中的限制限制为小于额定电流，产生电机电感要求，以确保PMSM的CPSR将是无限大的。

      (8)中的电感值已被建议作为乘用车应用的要求。

让我们假设电机电感是(8)中所给的值，对应于无限CPSR，使：

      电机电流的均方根从(6)然后给出

      相对速度为2、4、6、8、10、20和时，单位均方根电流与单位功率的关系图如图3所示。由图可见，当电机电感足够大时，在这种情况下，任何达到额定功率的发展功率都可以在不超过电机的有效值电流额定值的情况下实现。请注意，即使电感很大，电机电流大小也会随着速度而增加。功率曲线的平坦性表明，对于传统的相位提前策略，电机中的铜损耗实际上与开发的功率无关。当运行条件要求开发功率低于额定功率时，效率可能较差。使有效值电流与输出功率成正比的方法可以明显降低电机铜损耗以及VSI逆变器的损耗。在下一节中，我们将展示由DMIC实现的电机电流量级最小化和每安培最优瓦特控制的值。

           图3 永磁同步电机恒功率运行比较CPA控制与DMIC控制

3 DMIC驱动下的PMSM电流幅度最小化

      考虑到电感与(8)中一样大的PMSM在由VSI驱动时可以实现无限CPSR，使用DMIC驱动相同的电机是否有任何好处?为了解决这个问题，我们使用图2的基频模型。让电机电流相量写在矩形形式，其中

       其中，Ir是电机电流与反电动势的相位分量，Ix是与反电动势的相位正交分量。问题是，是否可以选择SCR的等效电抗Xthy，以便在电机电流最小化的情况下开发所需的功率。

      观察到电机电流的同相分量的值导致了功率的发展

      由于每电流大小的最小值是固定的，与相位正交分量大小的最小值相同。令：

       Ix对X求导，将导数设为零，并求解当前电抗产生的最小值X*。

      式(18)清楚地表明，在DMIC逆变器中，没有固定电感可以提供与晶闸管相同的效果。具体来说，观察到电抗并不与速度完全线性变化，由于括号内的第二个表达式(18)，电抗与发展功率成反比。因此，固定电感只能在单一速度和功率条件下实现与DMIC相同的性能。

        在晶闸管电抗的最优值下，电机电流的有效值最小：

       注意(19)与速度无关，与发展功率成正比。也可以表明，电机电流相量与逆变器电压相量是相的，这样逆变器工作在单位功率因数。

       无论电感大小，均适用式(19)。在电机为车辆提供实质性制动的情况下，电感必然需要较小，以便在(5)中大大大于额定功率。在这种情况下，CPA方法不能在不超过额定电流的情况下产生足够的CPSR, DMIC将是必不可少的。在这个讨论中，我们想要表明，即使在电机电感很大的情况下，DMIC也具有巨大的潜在效益。

       设电机电感为(8)，取(9)对应的电机电流大小为最优均方根基频

       注意(20)不依赖于速度。虽然这里没有显示，(20)要求相对速度大于2。每单位电机电流与每单位发展功率的关系图如图3所示，其中所示的单一曲线适用于任何转速及以上。为方便起见，采用同一组轴显示电机由CPA驱动时同一电感电平的功率数据。

       虽然带有电感的电机被认为非常适合CPA的高CPSR应用，但图3中的曲线表明，对于两个或更大的相对速度，由DMIC驱动的同一电机的电机电流总是更小，并且在大多数操作条件下，使用DMIC的电流基本上更小。电机电流的减少将减少电机铜的损失，其变化与均方根电流的平方，并减少VSI元件的损失，其变化与电机电流的均方根的一次方。例如，在高速和额定功率下，DMIC电机的有效值电流为VSI驱动电机的0.7071。电机损耗降低了50%，VSI损耗降低了29.3%。在高速和全功率70%时，DMIC电机的均方根电流是VSI驱动电机的49.5%。电机铜损耗降低了74.5%，VSI损耗降低了50.5%。根据应用，特别是速度/负载剖面，这些损失的减少可能会超过弥补增加SCR所带来的损失，并且在驱动器的生命周期内能量回收的价值可能会超过抵消SCR的初始成本。

4  结论

      研究表明，在高速恒功率模式下工作时，DMIC使基频电机电流的有效值最小。因此，DMIC提供最大瓦特每安培控制。无论内电机电感是高还是低，都可以提供这种控制。当电机由普通VSI的CPA控制驱动时，即使在电机电感很高的情况下，这种控制也是不可能的。