1.2 绕组开路电机系统及其控制策略

1.2.1 绕组开路电机系统分类

由于绕组开路电机系统由双逆变器驱动，双逆变器组合的多样性毫无疑问将极大丰富绕组开路电机系统的种类。如图1-2所示，根据控制源的差异，绕组开路电机系统可以分为电压源型逆变器电机系统、电流源型逆变器电机系统，以及混合型逆变器电机系统；根据逆变器是否可控，绕组开路电机系统可以分为全控型电机系统和半控型电机系统；根据逆变器产生电平数的不同，绕组开路电机系统还可分为两电平型电机系统、多电平型电机系统，以及混合型电机系统。如此丰富的拓扑种类毫无疑问能够满足不同场合的应用需求，极大拓宽了绕组开路电机系统的适用范围。

此外，绕组开路电机系统中双逆变器的供电形式同样具有多样性。根据双逆变器供电形式的差异，绕组开路电机系统还可以分为隔离直流母线型电机系统、共直流母线型电机系统和混合电源型电机系统，其拓扑结构分别如图1-3所示。对于图1-3a所示的隔离直流母线型电机系统，双逆变器由两个独立的电源进行供电，电源配置方式较为灵活。此外，可以通过控制两个独立电源的直流母线电压大小，实现多电平输出的效果。然而，隔离直流母线型电机系统需要两个电源进行供电，这一结构无疑将会增加系统的成本和体积，从而影响该类型电机系统的实际应用。同隔离直流母线型电机系统相比，共直流母线型电机系统仅需要一个直流源进行供电，如图1-3b所示，这将在一定程度上压缩了系统的体积和成本。然而，该结构为零序电流提供了流通回路，零序电流的存在将会导致三相电流的畸变、增大转矩脉动并且降低电机系统的运行效率。因此，需要重点关注共直流母线型电机系统中零序电流抑制的问题。图1-3c所示为混合电源型电机系统，其中一个逆变器与直流源连接，另一个逆变器与电容连接。该结构中电容能起到无功功率补偿的作用，从而提升电机系统的功率输出能力并且拓宽了调速范围，然而双逆变器分别与电源和电容相连的特殊结构也使得该类型电机系统的容错控制变得较为复杂。

基于上述绕组开路电机系统拓扑，可以概括其主要优势如下：

（1）三相绕组相互独立，各相电流控制灵活。在共直流母线拓扑情况下，三相电流突破传统电机绕组结构的限制，具有不相关性，可实现各相电流的独立控制，与传统电机相比，提升了电流控制自由度。因此，当绕组开路电机系统任意一相出现故障后，可借助于三相电流不相关的特性，利用另两相电流的双自由度确保系统安全运行。

（2）可降低功率器件耐压等级，具有多电平输出能力。根据双端变换器的不同直流电压比例或双端变换器的不同电平数，绕组开路电机系统可获得不同的多电平调制效果，从而优化系统性能并减少谐波含量。双端变换器在相同直流母线电压作用下，绕组开路电机系统具有三电平调制效果，与传统三电平变换器相比，无需箝位二极管且不存在电容中点电压漂移等问题。另外，双变换器驱动绕组开路电机系统所用功率器件的电压应力为0.5U_dc，与传统三相电机系统相比，功率器件的耐压等级降低50%。表1-1总结了绕组开路电机系统与常规系统的各项关键性指标对比，综合对比可知绕组开路电机系统有明显优势。

（3）具有高功率输出能力，降低弱磁升速难度。在变换器容量相同的情况下，与传统系统相比较而言，绕组开路永磁电机系统功率输出能力可提高74%，扩展了电机转速运行范围，从而可进一步降低系统弱磁升速的难度，使得该系统在新能源汽车等需要实现弱磁控制的应用领域具有明显优势。

（4）可实现双侧输出发电，增加了系统输出端口。传统电机应用于发电系统中只能进行单侧发电控制，需要设计额外输出绕组或添加额外变换器才能扩展其输出端口，实现一台电机多端输出。而将传统电机绕组连接点打开以后形成双侧开路的绕组结构，可利用其多端口的特点实现双侧输出发电控制，避免了增加额外绕组和变换装置，扩大了系统对外输出源。因此，绕组开路发电系统在舰船与飞机等具有多电压等级需求的供电系统中具有潜在优势。

（5）具有强故障容错能力和高可靠性。绕组开路电机系统具有可以对电机绕组出现短路与开路故障、双端变换器功率器件出现短路与开路故障、变换器一侧上下功率器件同时故障等不同故障类型实施容错运行的能力，且系统可靠性高。由于绕组开路电机各相绕组相互独立无电耦合，若其中一相发生故障，另外两相可独立运行，而功率输出等级与传统电机系统一致，并未减少。