CN104638991A - 一种抑制开关磁阻电机转矩脉动的双母线功率变换器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机转矩脉动抑制的双母线功率变换器及其控制方法，包括辅助电源及基本功率变换器，辅助电源包括电源切换开关S_a、二极管D_s1、电源侧电容C₁及高压电容C₂；基本功率变换器一相包括一个开关器件S_x及一个二极管D_x，开关器件导通时绕组电流上升，电机输出转矩增加；当该器件关断时，绕组电流经二极管释放，降低电机输出转矩。本发明的优点在于仅使用一半的可控性功率器件，降低了功率变换器成本和体积；辅助电源充分利用电机退磁绕组能量，提高了电机效率。由于辅助电源的电压是主电源电压的3-4倍，电机换相时间显著缩短，因此本控制方法在不需要提前开通角、关断角，简化了控制策略。

Description

一种抑制开关磁阻电机转矩脉动的双母线功率变换器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机转矩脉动抑制的双母线功率变换器及其控制方法，属于电机功率变换器拓扑及控制技术领域。

背景技术

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor，SRM)仅定子上有绕组，转子由硅钢片叠加构成，不仅结构坚固、易于加工、造价低，而且控制灵活、效率高，目前在纺织工业、航空领域以及家用电器均得到一定的应用。但SRM的双凸极结构和时变非线性电磁特性使得其转矩脉动、噪声较大，限制了它的使用范围。虽然电机本体结构优化可以减小转矩脉动，但增加了电机制造的难度。直接瞬时转矩等先进控制算法可以在不改变电机结构的基础上减小转矩脉动，但需要精确测量相绕组磁链，电磁转矩，而且电机的效率明显降低。开关磁阻电机转矩脉动主要出现在换相过程中，这是因为换相过程中退磁相、励磁相绕组电流变化速率存在较大差异，导致合成转矩存在脉动，这一现象在高速、大功率工况下尤为明显。针对这一问题，本专利提出了一种新型的双母线功率变换器，它利用退磁绕组能量构建高电压辅助电源，有效提高了换相期间绕组退磁及励磁速度，降低了转矩脉动，显著提高SRM驱动***的性能。

发明内容

本发明的目的是通过所提出的双母线功率变换器加快电机换相过程，从而消弱退磁相对电机输出转矩的影响，降低转矩脉动。本方面的另一目的是提供该功率变换器的控制方法，它根据退磁相绕组电流变化将换相过程分阶段利用电机主电源和辅助电源电压差异实现对合成转矩的控制，最终实现减小转矩脉动的目的。

本发明的装置的技术方案为：

一种开关磁阻电机转矩脉动抑制的双母线功率变换器，该功率变换器的输入电源U₁的正极分别与第一电容C₁的正极、第四二极管D_s1的阳极和第二电容C₂的负极相连，第二电容C₂的正极分别与第四开关管S_a的集电极、第一二极管D₁的阴极、第二二极管D₂的阴极、第三二极管D₃的阴极相连，第一二极管D₁的阳极分别与第一开关管S₁的集电极、第一绕组L_A的一端相连，第二二极管D₂的阳极分别与第二开关管S₂的集电极、第二绕组L_B的一端相连，第三二极管D₃的阳极分别与第三开关管S₃的集电极、第三绕组L_C的一端相连，第四二极管D_s1的阴极分别与第四开关管S_a的发射极、第一绕组L_A的另一端、第二绕组L_B的另一端、第三绕组L_C的另一端分别相连，所述第一开关管S₁的发射极、第二开关管S₂的发射极、第三开关管S₃的发射极、第一电容C₁的阴极、输入电源U₁的负极均相连并接地。

进一步，所述第一电容C₁为低压母线电容，第二电容C₂为高压母线电容，共同构成电机绕组供电双母线结构。

本发明的方法的技术方案为：

一种开关磁阻电机转矩脉动抑制的双母线功率变换器控制方法，当以C、A换相时，具体过程为：

步骤1，电机完成换相，仅C相工作，A、B两相绕组电流为零，电机输出转矩与C相转矩相等，当转矩低于设定值T_L时，第三开关管S₃导通、第四开关管S_a断开，第三绕组L_C由主电源供电，相电流i_C上升，转矩增加；当转矩大于T_H时，第三开关管S₃断开、第四开关管S_a导通，绕组电流经第三二极管D₃、第四开关管S_a续流；

步骤2，换相开始时，第三开关管S₃关断，当转矩T小于设定值T_L时，第四开关管S_a、第一开关管S₁同时导通，第二电容C₂向L_A相绕组供电，加快该相励磁速度；C相绕组经第四开关管S_a、第三二极管D₃续流；当转矩T大于T_H，第四开关管S_a、第一开关管S₁断开，第三绕组L_C通过D₃、C₂、D_s1续流，此时绕组电压与第二电容C₂两端电压相等；由于该电压远高于主电源电压，使C相绕组电流下降速度加快，减弱该相负转矩对电机转矩的影响；在该过程第二电容C₂吸收绕组释放能量，电压上升，该阶段直至C相电流达到设置值i_H；

步骤3，该阶段第四开关管S_a关断，第一开关管S₁导通，C相绕组电流经D₃、C₂、D_s1续流，主电源经第一开关管S₁向绕组供电，该过程直至C相绕组电流下降至设定值i_L；

步骤4，该阶段工作过程与步骤2类似，直至C相绕组电流降至零，换相过程结束。

本发明的有益效果为：与不对称半桥功率变换器相比，本发明的优点在于仅使用一半的可控性功率器件，降低了功率变换器成本和体积；辅助电源充分利用电机退磁绕组能量，提高了电机效率。由于辅助电源的电压是主电源电压的3-4倍，电机换相时间显著缩短，因此本控制方法在不需要提前开通角、关断角，简化了控制策略。

附图说明

图1是本发明的开关磁阻电机双母线功率变换器拓扑图；

图2是本发明的开关磁阻电机在非换相状态时，双母线功率变换器电路结构图(以A相为例)；

图3是本发明的开关磁阻电机在换相过程中，辅助电源工作条件下双母线功率变换器电路结构图(以C相向A相换相为例)；

图4是本发明的开关磁阻电机在换相过程中，主电源工作条件下双母线功率变换器电路结构图(以C相向A相换相为例)；

图5是本发明的双母线功率变换器退磁相绕组电流分段控制开关时序图。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述。

本发明的双母线功率变换器如图1所示，它由辅助电源及基本功率变换器构成。辅助电源包括电源切换开关S_a、二极管D_s1、电源侧电容C₁及高压电容C₂(第二电容)。基本功率变换器一相包括一个开关器件S_x及一个二极管D_x(x表示不同相)，开关器件导通时绕组电流上升，电机输出转矩增加；当该器件关断时，绕组电流经二极管释放，降低电机输出转矩。三相结构相同，共同构成基本功率变换器。

图1～图5中的符号分别表示：U₁为输入电源，为电机工作的主电源；S₁、S₂、S₃、S_a分别为第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；D₁、D₂、D₃、D_s1分别为第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管；C₁、C₂分别为第一电容，第二电容；L_A、L_B、L_C分别为电机第一绕组、第二绕组、第三绕组；i_A、i_B、i_C分别为三相绕组工作电流；i_T为输出转矩稳定时相绕组电流值；i_L、i_H分别为相绕组电流的第一设定量和第二设定量；T为三相合成转矩，T_A、T_B、T_C分别为A、B、C单相绕组输出转矩；T_H为转矩滞环的上限，T_L为转矩滞环的下限。

该电路的输入电源U₁与第一电容C₁的正极、第四二极管D_s1的阳极和第二电容C₂的负极相连，第二电容C₂的正极与第四开关管S_a的集电极、第一二极管D₁的阴极、第二二极管D₂的阴极、第三二极管D₃的阴极相连，第一二极管D₁的阳极与第一开关管S₁的集电极、第一绕组L_A的一端相连，第二二极管D₂的阳极与第二开关管S₂的集电极、第二绕组L_B的一端相连，第三二极管D₃的阳极与第三开关管S₃的集电极、第三绕组L_C的一端相连，第四二极管D_s1的阴极与第四开关管S_a的发射极、第一绕组L_A的另一端、第二绕组L_B的另一端、第三绕组L_C的另一端分别相连，第一、二、三开关管S₁、S₂、S₃的发射极分别与第一电容C₁的负极、输入电源U₁的负极相连。

电路结构参见图1，第一电容C₁为低压母线电容，第二电容C₂为高压母线电容，共同构成电机绕组供电双母线结构。绕组供电所用电源根据电机合成转矩及退磁相电流值通过第四开关管S_a进行选择。电机绕组上端与电源相接，下端分别与S_x的输入端相连，二极管D_x的阳极分别与绕组下端、S_x输入端连接，二极管D_x的阴极与高压电容C₂正极连接，三相结构相同。以C、A换相为例具体分析该电路工作过程：

(1)电机完成换相，仅C相工作，A、B两相绕组电流为零，电机输出转矩与C相转矩相等。当转矩低于设定值T_L时，S₃导通、S_a断开，绕组L_C由主电源供电，相电流i_C上升，转矩增加；当转矩大于T_H时，S₃断开、S_a导通，绕组电流经D₃、S_a续流。

(2)换相开始时，S₃关断。当转矩T小于设定值T_L时，S_a、S₁同时导通，电容C₂向L_A相绕组供电，加快该相励磁速度；C相绕组经S_a、D₃续流。当转矩T大于T_H，S_a、S₁断开，绕组L_C通过D₃、C₂、D_s1续流，此时绕组电压与电容C₂两端电压相等。由于该电压远高于主电源电压，使C相绕组电流下降速度加快，减弱该相负转矩对电机转矩的影响。在该过程电容C₂吸收绕组释放能量，电压上升。该阶段直至C相电流达到设置值i_H。

(3)该阶段S_a关断，S₁导通。C相绕组电流经D₃、C₂、D_s1续流，主电源经S₁向绕组供电。该过程直至C相绕组电流下降至设定值i_L。

(4)该阶段工作过程与(2)类似，直至C相绕组电流降至零，换相过程结束。

应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种开关磁阻电机转矩脉动抑制的双母线功率变换器，其特征在于，该功率变换器的输入电源U₁的正极分别与第一电容C₁的正极、第四二极管D_s1的阳极和第二电容C₂的负极相连，第二电容C₂的正极分别与第四开关管S_a的集电极、第一二极管D₁的阴极、第二二极管D₂的阴极、第三二极管D₃的阴极相连，第一二极管D₁的阳极分别与第一开关管S₁的集电极、第一绕组L_A的一端相连，第二二极管D₂的阳极分别与第二开关管S₂的集电极、第二绕组L_B的一端相连，第三二极管D₃的阳极分别与第三开关管S₃的集电极、第三绕组L_C的一端相连，第四二极管D_s1的阴极分别与第四开关管S_a的发射极、第一绕组L_A的另一端、第二绕组L_B的另一端、第三绕组L_C的另一端分别相连，所述第一开关管S₁的发射极、第二开关管S₂的发射极、第三开关管S₃的发射极、第一电容C₁的阴极、输入电源U₁的负极均相连并接地。

2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机转矩脉动抑制的双母线功率变换器，其特征在于，所述第一电容C₁为低压母线电容，第二电容C₂为高压母线电容，共同构成电机绕组供电双母线结构。

3.一种开关磁阻电机转矩脉动抑制的双母线功率变换器控制方法，其特征在于，当以C、A换相时，具体过程为：

步骤1，电机完成换相，仅C相工作，A、B两相绕组电流为零，电机输出转矩与C相转矩相等，当转矩低于设定值T_L时，第三开关管S₃导通、第四开关管S_a断开，第三绕组L_C由主电源供电，相电流i_C上升，转矩增加；当转矩大于T_H时，第三开关管S₃断开、第四开关管S_a导通，绕组电流经第三二极管D₃、第四开关管S_a续流；

步骤2，换相开始时，第三开关管S₃关断，当转矩T小于设定值T_L时，第四开关管S_a、第一开关管S₁同时导通，第二电容C₂向L_A相绕组供电，加快该相励磁速度；C相绕组经第四开关管S_a、第三二极管D₃续流；当转矩T大于T_H，第四开关管S_a、第一开关管S₁断开，第三绕组L_C通过D₃、C₂、D_s1续流，此时绕组电压与第二电容C₂两端电压相等；由于该电压远高于主电源电压，使C相绕组电流下降速度加快，减弱该相负转矩对电机转矩的影响；在该过程第二电容C₂吸收绕组释放能量，电压上升，该阶段直至C相电流达到设置值i_H；

步骤3，该阶段第四开关管S_a关断，第一开关管S₁导通，C相绕组电流经D₃、C₂、D_s1续流，主电源经第一开关管S₁向绕组供电，该过程直至C相绕组电流下降至设定值i_L；

步骤4，该阶段工作过程与步骤2类似，直至C相绕组电流降至零，换相过程结束。