本发明涉及一种永磁同步电机的变频电路，属于电机控制领域。
背景技术：
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高速永磁电机普遍采用高频、非正弦PWM逆变器供电，频率可达几千赫兹到几万赫兹，由高速永磁同步电机的结构特点和运行状态要求可知，高速永磁同步电机的定子电感很小，通常低于0.5mH。从有利的一方面来说，小电感特性利于提高定子电流的动态响应速度，然而此特性对电机控制系统还会带来诸多不利影响。采用开关频率为数千赫兹的三相电压源PWM逆变器直接对此类型电机进行驱动时，由于电机定子电感很小，因此难以实现对绕组电流的有效调节，这将导致绕组电流发生畸变，电流中含有很大的谐波成分，从而会增加绕组铜损和铁心损耗，同时还会产生较大的转矩脉动和噪声。为了减小变频器输出的电流中的谐波含量，从而更好地实现对高速永磁同步电机的控制，通常的方法就是在变频器的输出端串入大小适中的三个相同的电感，使永磁同步电机定子等效电感变大，从而滤出基波以外的电流分量。但是在变频器的输出端加装滤波电感会使整个系统的体积、重量及成本成倍的增加，同时由于电感对电流起滞后作用，这无疑又会降低电枢电流的动态响应速度。另外一种方法是通过提高开关管的控制频率，以实现对定子电流快速调节的目的。然而开关管的开关频率不能无限制地增加，它还受到系统功率的限制，因此需要对永磁同步电机的变频电路加以改进。
技术实现要素：
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本发明提供了一种永磁同步电机的变频电路，目的在于解决现有永磁同步电机定子电流中谐波含量较高的问题，其可以实现再生制动，使交流输出电流接近正弦波，可减小定子电流畸变率，进而提高了永磁同步电机控制性能。
本发明的永磁同步电机的变频电路，为达到上述目的所采用的技术方案是：包括三个交流侧电感、三相桥式PWM整流单元、电容C1、三相桥式PWM逆变单元和CLC滤波单元，所述三个交流侧电感包括三个电感L1，三个电感L1以串联的形式接入电路中；所述三相桥式PWM整流单元和三相桥式PWM逆变单元均包括六个绝缘栅双极晶体管，每个绝缘栅双极晶体管分别与一个二极管反向并联，所述三个交流侧电感的一端与三相电源相连，另一端与三相桥式PWM整流单元的一端相连，三相桥式PWM整流单元的另一端通过电容C1与三相桥式PWM逆变单元的一端相连，三相桥式PWM逆变单元的另一端与CLC滤波单元的一端相连，CLC滤波单元的另一端连接永磁同步电机。
作为本发明的进一步改进，所述CLC滤波单元包括第一滤波单元、三个电感L4和第二滤波单元，所述的第一滤波单元的输入端分别与三相桥式PWM逆变单元的输出端、电感L4的一端相连，所述的第二滤波单元分别与电感L4的另一端、永磁同步电机的输入端相连。通过第一滤波单元能够有效地吸收三相桥式PWM逆变单元电流中5到7次的谐波，通过第二滤波单元能够有效地吸收电流中7次以上的高频谐波。
作为本发明的进一步改进，所述第一滤波单元包括三个电容C2、三个电容C3、三个电感L2和三个电感L3，三个电容C2的一端分别与三相桥式PWM逆变单元3的输出端、电感L4的一端相连，另一端分别与三个电感L2的一端相连，三个电感L2的另一端分别与电容C3和电感L3的一端相连，电感L3的另一端和电容C3的另一端均与接地端相连。
作为本发明的进一步改进，所述第二滤波单元包括三个电容C4、三个电感L5和三个电阻R1，三个电容C4的一端分别与电感L4的另一端、永磁同步电机的输入端相连，另一端分别与三个电感L5的一端、三个电阻R1的一端相连，三个电感L5的另一端、三个电阻R1的另一端均与接地端相连。
作为本发明的进一步改进，所述二极管为高反向电阻点接触型二极管,其反向电阻高,和储能元件一起使用，可防止电路中电压电流的突变，为反向电动势提供耗电通路。
本发明的有益效果是：本发明采用三相桥式PWM整流电路替换传统不可控整流器，无需增加任何附加电路就能实现变频器再生能量向电网的回馈，采用PWM整流技术，它直接对整流桥上各功率开关原件进行控制，使得输入电流接近正弦波，其相位与电压源相位相同。这样输入电流中只含与开关频率有关的高次谐波，这些谐波次数高，容易滤除，同时，也使功率因数接近1，减少对电网的危害，双PWM具有输入电压、电流频率固定，波形均为近似正弦，功率因数接近1，输出电压电流频率可变，电流波形近似为正弦的特点，输出电流流经CLC滤波单元，能有效的抑制输出电流中除基频以外的各次谐波电流，使得流入永磁同步电机的电枢电流为正弦波的特点。这种变频器可实现四象限运行，可以实现能量的双向流动。
附图说明：
图1为本发明的永磁同步电机的变频电路图。
具体实施方式：
参照图1，该永磁同步电机的变频电路，包括三个交流侧电感1、三相桥式PWM整流单元2、电容C1、三相桥式PWM逆变单元3和CLC滤波单元4，三个交流侧电感1、三相桥式PWM整流单元2、电容C1、三相桥式PWM逆变单元3和CLC滤波单元4采用级联的结构连接，所述三个交流侧电感1的一端与三相电源相连，另一端与三相桥式PWM整流单元2的一端相连，三相桥式PWM整流单元2的另一端通过电容C1与三相桥式PWM逆变单元3的一端相连，三相桥式PWM逆变单元3的另一端与CLC滤波单元4的一端相连，CLC滤波单元4的另一端连接永磁同步电机，所述三个交流侧电感1包括电感L1，所述电感L1以串联的形式接入电路中，其是交流电源内部电感和外接电感之和，是电路正常工作所必需的，也起到一定的滤波作用；所述三相桥式PWM整流单元2包括六个绝缘栅双极晶体管V1-V6，所述六个绝缘栅双极晶体管V1-V6分别与二极管D1-D6反向并联，通过PWM脉冲信号控制所述六个绝缘栅双极晶体管V1-V6的通断能够将交流电流转变为直流电压，其中，所述二极管是高反向电阻点接触型二极管；所述三相桥式PWM逆变单元3包括六个绝缘栅双极晶体管V7-V12，所述六个绝缘栅双极晶体管V7-V12分别与二极管D7-D12反向并联，通过PWM脉冲信号控制所述六个绝缘栅双极晶体管V7-V12的通断能够将所述电容C1上的直流电压转变为与所需频率的三相交流电压，其中，所述二极管是高反向电阻点接触型二极管。
进一步地，所述CLC滤波单元4包括第一滤波单元41、三个电感L4和第二滤波单元42，所述的第一滤波单元41的输入端分别与三相桥式PWM逆变单元3的输出端、电感L4的一端相连，所述的第二滤波单元42分别与电感L4的另一端、永磁同步电机的输入端相连，通过第一滤波单元40能够有效的吸收三相桥式PWM逆变单元3电流中的5-7次谐波；所述的第二滤波单元41分能够有效的吸收电流中7次以上的高频谐波，通过所述的第二滤波单元41分能够有效的吸收电流中7次以上的高频谐波。
进一步地，所述第一滤波单元41包括三个电容C2、三个电容C3、三个电感L2和三个电感L3，三个电容C2的一端分别与三相桥式PWM逆变单元3的输出端、电感L4的一端相连，另一端分别与三个电感L2的一端相连，三个电感L2的另一端分别与电容C3和电感L3的一端相连，电感L3的另一端和电容C3的另一端均与接地端相连；所述第二滤波单元42包括三个电容C4、三个电感L5和三个电阻R1，三个电容C4的一端分别与电感L4的另一端、永磁同步电机的输入端相连，另一端分别与三个电感L5的一端、三个电阻R1的一端相连，三个电感L5的另一端、三个电阻R1的另一端均与接地端相连。
PWM脉冲控制绝缘栅双极晶体管的通断时，在高频开关过程中电压、电流的变化率非常大，从而形成频率很强的电磁干扰，这会对永磁电机的正常运行造成影响，降低系统的可靠性。开关变换器中，纹波的大小取决于电路中的谐波电流，为了抑制开关频率的电流谐波，提高变频器的可靠性，需要使用输出滤波器滤除基频以外的谐波。由于CLC滤波器相比传统的L和LC滤波器对电流高频分量具有更强的抑制能力，因此采用CLC滤波器使高频衰减增强，同时抑制开关纹波。然而设计CLC滤波器，需要充分考虑谐振频率、截止频率、电感总的阻抗压降等条件，如果元件参数设计不合理，不仅达不到预期的滤波效果，甚至会使电流产生畸变，从而影响系统的性能。
所述第一滤波单元40的阻抗表达式为：其中，ω为任意谐波的角频率，L2、L3为第一滤波单元的电感，C2、C3为第一滤波单元的电容。
其在调谐频率点的阻抗为0，由此可以得出其调谐频率分别为ωk1、ωk2，其中，k1、k2为各调谐频率谐波的次数。在输出电流基波频率ω1下，第一滤波单元发出的无功功率为Q,设U为基波额定电压，则第一滤波单元的各个元件参数为：
其中，ω1为基波频率，k1、k2为各调谐频率谐波的次数
所述第二滤波单元41的阻抗表达式为：其中，ω为任意谐波的角频率，R1为第二滤波单元的电感，L5为第二滤波单元的电感，C4为第二滤波单元的电容。
由于第二滤波单元为高通滤波器，其特性可以由以下特性来描述：
式中，f0为截止频率，高通滤波器的截止频率一般略高于所装设的双调谐滤波器的最高调谐频率。m是一个与品质因数相关的参数，直接影响滤波单元调谐曲线的形状。一般m的值在0.5～2之间。
电容C4的确定需要考虑电容的电压条件、电流条件、容量条件等条件。电容C4的取值为：其中Pn为补偿装置的额定容量，Un为补偿装置的额定电压，N电容无功所占额定补偿容量的比值，一般不大于10％。
C4的值确定之后，则
式中，f0为截止频率，ω1为基波频率。
确定电感L4的参数时，首先要考虑基波在电感上的压降，一般为三相桥式PWM逆变单元输出额定电压的3％-5％，其次要充分考虑谐波电流的影响，谐波电流约为逆变器电流容量的10％-20％，最后考虑待滤除的干扰谐波频率的衰减倍数指标。可得L4的取值范围为：
式中：Udc为电容C1两端电压，fsw为三相桥式PWM逆变单元开关管的频率，iw为纹波电流。
工作时，先通过整流器将三相交流电变换成直流电,再通过逆变器将直流电转变成交流电。变频器输出的交流电的幅值和频率均可调节。整流环节由6个晶闸管构成三相桥式可控整流电路,采用的是器件换流，利用全控型器件的自关断能力进行环流。这6个晶闸管的导通顺序是(V1，V2)-(V2,V3)-(V3,V4)-(V4,V5)-(V5,V6)-(V6,V1)，整流电路的作用是将三相交流电整流成幅值可调的直流电压,幅值的调节是通过调节晶闸管的控制角的大小来实现的,控制角越小,其幅值就越大。直流环节实直流侧大电容C1,能够滤除高频谐波,使直流电压的波形更为平直，因为直流环节中并接大电容,所以这种变频器属于电压型变频器。逆变环节由V7-V12构成三相桥式逆变电路,也采用器件换流方式，逆变电路是将直流电压逆变成频率可调的三相交流电。逆变器输出的三相交流电流经CLC滤波电路驱动高速永磁同步电机运转，由于电流中含有大量高次谐波，CLC滤波器对输出电流中的高频谐波分量具有很强的抑制能力，从而减小了转矩脉动和噪声。
本具体实施方式的一种永磁同步电机的变频电路可以实现再生制动，其交流输出电流接近正弦波，能够在很大程度上减小定子电流畸变率，进而很大程度上提高了永磁同步电机控制性能。