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本发明公开了一种开绕组高速电机低谐波驱动拓扑结构及控制方法,该拓扑结构在开绕组电机结构的基础上,通过增加小功率高开关频率谐波补偿变换器,实现了在主变换器输出的电压矢量上叠加高频小电压矢量,从而实现了等效增加主变换器的开关频率,由此可有效降低系统电流谐波含量。本发明基于开绕组的电机结构,通过对不同功率、不同开关频率的主变换器和谐波补偿变换器的电压矢量分配,实现了仅增加一小功率高频变换器,等效提高了主变换器开关频率的效果。能够有效降低系统电流谐波、优化转矩波动和增大系统效率。

本发明公开了一种开绕组高速电机低谐波驱动拓扑结构，该拓扑结构在开绕组电机结构的基础上，通过增加小功率高开关频率谐波补偿变换器，实现了在主变换器输出的电压矢量上叠加高频小电压矢量，从而实现了等效增加主变换器的开关频率，由此可有效降低系统电流谐波含量。本发明创新点在于，基于开绕组的电机结构，通过对不同功率、不同开关频率的主变换器和谐波补偿变换器的电压矢量分配，实现了仅增加一小功率高频变换器，等效提高了主变换器开关频率的效果。能够有效降低系统电流谐波、优化转矩波动和增大系统效率。除此之外，本发明在控制上十分灵活，谐波补偿变换器可随工况切入切出，在统一控制的情况下，还可大大降低主变换器开关频率。本方案在成本和性能上较有优势，适合于大功率高速电机应用场合。总体而言，基于开绕组结构的电流谐波抑制方案控制灵活，体积重量上仅需增加一小功率SiC三相桥，可以实现等效的高频电压输出。在中大功率应用场合有独到的优势。

高速永磁同步电机因其高功率密度与高效率的优势，在军工、航空航天、工业与民用领域有广阔的前景与应用价值。然而，高速永磁同步电机往往具有小电感与高基频特点，大功率类高速永磁同步电机会进一步限制功率开关器件的开关频率，这三点都会导致控制系统载波比降低，电流谐波含量增大。从而导致系统效率降低、电机温升提高、转矩抖动增大等一系列问题。因此，电流谐波抑制是影响高速永磁同步电机应用的关键问题。

高速永磁同步电机系统电流谐波抑制的方式主要有如下几种：增加无源滤波器、采用多电平驱动控制系统、采用SiC等新型材料的高频功率器件等。增加无源滤波器的方式简单可靠，可以有效滤除由低载波比引入的时间谐波。但是系统体积重量增大，为了控制系统低载波比工况下的稳定，通常滤波器的截止频率不易选取过低，因此该方式对高频谐波较为有效。采用多电平驱动控制系统是目前较为成熟的方案，通过增加输出电平数降低输出电压谐波，从而减小电流谐波，在高压应用场合有减小功率器件电压应力的拓扑优势。然而，增加的电平数与采用的功率器件数量正相关，需要增加成倍的器件与驱动器体积。结合SiC等高频功率器件与高性能控制处理器在新能源汽车与全电飞机等领域得到应用，通过控制系统频率的提高增大系统载波比，从根本上抑制了电流谐波的增加。然而，该方案价格高昂，同时高频功率器件在应用上易产生过电压和桥臂串扰，并且目前尚没有大功率产品。基于以上所述，现有方案在系统功率密度、价格和性能等方面有各自优势与缺点，需要根据应用场景具体分析。

本发明在高速永磁同步电机驱动控制领域有着广泛的应用前景。

发明人：梁阳 梁得亮 张弘 褚帅君 王浩 文启东 杨澍州 王奕钧

西安交通大学是我国最早兴办、享誉海内外的著名高等学府，是教育部直属重点大学。西迁以来，一代代交大人扎根西部、服务国家，为西部发展和国家建设作出了卓越贡献，以实际行动铸就了第一批纳入中国共产党人精神谱系的西迁精神。2017年12月，习近平总书记对学校15位老教授来信作出重要指示。在2018年新年贺词中，习近平总书记再次提到“西安交大西迁的老教授”。2020年4月22日，习近平总书记来校考察并发表重要讲话，强调西迁精神的核心是爱国主义，精髓是听党指挥跟党走，与党和国家、与民族和人民同呼吸、共命运，勉励师生在新时代创造属于我们这代人的历史功绩，给全校师生以巨大关怀和极大鼓舞，为学校新时代建设中国特色世界一流大学提供了根本遵循和行动指南。

高速电机系统的电流谐波主要是由于系统载波比较低引起的，即由变换器引入的时间谐波，未来电机驱动控制系统需要向集成化、灵活控制等方向发展，因此本发明从电机结构和变换器拓扑统一优化的角度设计谐波抑制方案，引入了开绕组结构。开绕组永磁同步电机无需改变原有电磁设计与机械结构，仅需将绕组一端的中性点打开并引出即可。如将双变换器视为主变换器和谐波补偿变换器，则可以通过主变换器输出主要的有功功率，谐波补偿变换器提供高频无功分量，可以等效为提高了输出频率。此外，谐波补偿变换器仅需提供少量电压分量，因此，谐波补偿变换器的功率可以小于主变换器。同时，当转速较低，电流谐波含量不高的情况下，谐波补偿变换器可以停止工作以降低系统损耗并简化控制。

本发明还公开了一种开绕组高速电机低谐波驱动拓扑结构的控制方法，该控制方法中谐波补偿变换器可随工况切入切出，在统一控制的情况下，还可大大降低主变换器开关频率。本方案在成本和性能上较有优势，适合于大功率高速电机应用场合。

科技成果只有通过实施开发应用，使其转化为生产力，才能取得经济效益和社会效益。成果方目标是将科技成果转化为现实生产力，期待有意愿的企业或合作单位进行合作推广或者进行产品生产。考虑合作转化、许可+合作等转化方式与企业、科学技术研究开发机构和其他组织建立合作关系。