CN107809195A - 一种开关磁阻电机四电平功率电路及使用方法 - Google Patents

一种开关磁阻电机四电平功率电路及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机四电平功率电路及使用方法，在传统的不对称功率变换电路基础上增加了多相独立升压电路部分，包括：公用的升压电容C2，开关管VTA1、VTB1、VTC1，二极管VDA1、VDB1、VDC1。通过控制开关管的导通与关断，可使开关磁阻电机的各相绕组在快速励磁(+2)、快速退磁(‑2)、正常励磁(+1)和零压续流(0)四种状态下独立切换运行，互不干扰。本发明实现了开关磁阻电机各相四电平的独立切换，不仅能够对绕组进行常压励磁，还能对绕组进行快速励磁和快速退磁。功率电路的相数与电机绕组的相数相等，适用于任意相数电机，是一种具有高鲁棒性、高可靠性、紧凑的结构，具有巨大的应用前景。

Description

一种开关磁阻电机四电平功率电路及使用方法
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机领域，特别是涉及到应用在开关磁阻电机的四电平功率电路。
背景技术
开关磁阻电机驱动***(SRD)由开关磁阻电机(SRM)、功率变换器、控制器和位置检测装置组成，是一种新型的机电一体化交流调速***，其结构如图1所示，其中，功率变换器向开关磁阻电动机提供运转所需要的能量。
SRM功率变换电路(以下简称功率电路)拓扑设计是开关磁阻电机功率变换器设计的关键之一，功率变换电路的拓扑结构对SRD***性能有直接影响，合适的功率变换器可以降低开关磁阻电机的成本，提高开关磁阻电机的动态特性，拓宽开关磁阻电机的应用场合。为此，国内外学者已经提出了多种的功率电路，图2所示的不对称半桥功率变换电路是目前应用最为广泛的一种开关磁阻电机功率变换电路。
不对称半桥变换电路在性能上具有显著优势，可分别对SRM各相绕组实现常压励磁(+1状态)、常压退磁(-1状态)和零压续流(0)，相与相之间是完全独立的，且对电机绕组相数没有任何限制。在不对称半桥变换电路中，每相桥臂由两个主开关器件VTX2和VTX3及两个续流二极管VDX2和VDX3组成。该电路每相绕组具有三种工作模式(如图3所示)，以A相绕组为例：
①开关管VTA2、VTA3开通，二极管VDA2、VDA3反向截止，电源电压UC1加至A相绕组两端，A相绕组运行在快速励磁(+1状态)
②开关管VTA3开通，VTA2关断，二极管VDA2反向截止，VDA3正向导通，A相绕组两端电压为0，A相绕组运行在续流(0状态)；
③开关管VTA2、VTA3关断，二极管VDA3、VDA2正向导通，电源电压UC1反向加至A相绕组两端，电容C1吸收A相绕组的部分磁能，A相绕组运行在常压退磁(-1状态)。
综上所述，不对称半桥功率变换电路在性能上具有显著优势，尤其便于实现灵活的控制策略。
但不对称功率变换电路不能实现SRM绕组的高压励磁(+2状态)和高压退磁(-2状态)，不能满足某些高性能SRD的要求。尤其在电机高速运行时，高压励磁和高压退磁的功能会变得尤为重要。
为了实现SRM绕组的快速励磁和快速退磁，现有技术中，在不对称半桥功率变换电路的基础上进行了改进，提出了如图4所示的四电平功率变换电路，该功率电路能够实现开关磁阻电机各相绕组的快速励磁(+2状态)、快速退磁(-2状态)、常压励磁(+1状态)和零压续流(0状态)四种工作状态。由于该电路只有一个各相公用的升压电路，当QCD导通时，各相绕组只能工作在快速励磁(+2状态)、快速退磁(-2状态)和零压续流(0状态)三种工作状态；当QCD关断时，各相绕组只能工作在常压励磁(+1状态)、快速退磁(-2状态)和零压续流(0状态)三种工作状态。由此可见，SRM各相绕组不能同时工作在快速励磁(+2状态)和常压励磁(+1状态)，失去了原有的(相对于不对称功率变换电路而言)独立性。这也就限制了多电平功率电路在各相重叠导通运行(导通电角度大于120度)时的应用范围。
为了适应多电平功率变换电路在各相重叠导通运行时的应用，现有技术中还提出了如图5所示的四电平功率电路，巧妙地利用了四相电机的独有的结构特点为AC/BD相分别设计了升压电路，实现了SRM相邻相的独立运行。但是该电路有两个缺点，一是这种设计思路不适用于相数为奇数的SRM；二是该电路只能满足相邻相间的独立运行，但当需要同时运行的电机绕组多于2相(如三相同时运行在不同状态)时，即使对四相SRM也不能实现各相的独立工作。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种各相具有独立性的新型开关磁阻电机四电平功率电路，通过控制功率拓扑中开关管的导通与关断，使开关磁阻电机各相电平在任意时刻均能独立切换，解决电机在重叠运行时，四电平功率电路不能有效工作的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种开关磁阻电机四电平功率电路，包括直流电源V、稳压电容C1、升压电容C2和由开关管和二极管组成的桥臂电路组成，桥臂电路的数量与电机的相数相等，每个桥臂电路上均连接一相电机绕组；
所述稳压电容C1与所述直流电源V并联，所述升压电容C2的负极与稳压电容C1的正极串联；
所述桥臂电路包括开关管VT1、VT2、VT3，以及二极管VD1、VD2、VD3；所述电机绕组的上端连接开关管VT2的发射极，电机绕组的下端连接开关管VT3的集电极，开关管VT3的的发射极接直流电源V的负极；
所述二极管VD3的正极接直流电源V的负极，二极管VD3的负极连接开关管VT2的发射极；二极管VD2的正极连接开关管VT3的集电极，二极管VD2的负极与开关管VT1的集电极相连；
所述开关管VT1的集电极连接升压电容C2的正极，开关管VT1的发射极连接开关管VT2的集电极；所述二极管VD1的正极连接稳压电容C1的正极，二极管VD1的负极连接开关管VT2的集电极，二极管VD2的负极连接在升压电容C2的正极。
进一步的，所述开关管VT1、VT2、VT3采用全控型器件。
本发明还提供了如上所述开关磁阻电机四电平功率电路的使用方法，包括：每个桥臂电路所连接的一相的电机绕组有四种工作模式，
(1)开关管VT1、VT2、VT3开通，二极管VD1、VD2、VD3反向截止，电压UC1+UC2加至电机绕组两端，电机绕组运行在快速励磁状态；
(2)开关管VT2、VT3导通，VT1关断，二极管VD1导通，VD2、VD3截止，电源电压UC1加至电机绕组两端，电机绕组运行在正常励磁状态；
(3)开关管VT3开通，开关管VT1、VT2关断，二极管VD1、VD2反向截止，VD3正向导通，电机绕组两端电压为0，电机绕组运行在续流状态；
(4)开关管VT1、VT2、VT3关断，二极管VD2、VD3正向导通，电压UC1+UC2反向加在电机绕组两端，电机绕组运行在快速退磁状态。
进一步的，每一相的电机绕组的四种工作模式都独立切换，不受其他相的电机绕组的工作模式限制，重叠运行的电机相数为小于等于电机相数的任意相数。
本发明还提出了如上所述开关磁阻电机四电平功率电路的应用，可应用于任意相数的电机，功率电路的相数与电机绕组相数相等。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明所提出的开关磁阻电机四电平功率电路实现了电机绕组的快速励磁和快速退磁功能，能有效提高SRD在高速运行时的性能。除此之外，该功率电路改进了已有四电平功率变换电路中的不足，提出一种各相具有独立性的新型开关磁阻电机四电平功率变换电路，通过控制功率电路中开关管的导通与关断，使开关磁阻电机各相绕组的电平在任意时刻均能独立切换，互不干扰，解决了已有四电平功率电路在开关磁阻电机多相重叠运行时各相不能完全独立控制的问题，是一种更加普遍适用的结构。同时，在实现各相绕组工作状态独立切换的前提下，尽可能减少了开关器件和有源器件的数量，有效的降低了功率变换器的开关损耗、制造成本和体积。
附图说明
图1是现有技术中开关磁阻电机驱动***组成示意图；
图2是现有技术中不对称半桥功率变换电路示意图；
图3是现有技术中不对称半桥功率变换电路的三种工作状态示意图；
图4是现有技术中的四电平功率电路示意图；
图5是现有技术中的独立四电平功率电路示意图；
图6是本发明提出的四电平功率电路示意图；
图7是本发明的快速励磁(+2)状态示意图；
图8是本发明的常压励磁(+1)状态示意图；
图9是本发明的续流(0)状态示意图；
图10是本发明的快速退磁(-2)状态示意图；
图11(a)是本发明实施例中四电平功率电路为三相绕组提供+1、+2、0三种电平的示意图；
图11(b)是本发明实施例中四电平功率电路为三相绕组提供+1、+2、-2三种电平的示意图；
图11(c)是本发明实施例中四电平功率电路为三相绕组提供+1、0、-2三种电平的示意图；
图11(d)是本发明实施例中四电平功率电路为三相绕组提供+2、0、-2三种电平的示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提出的是一种开关磁阻电机的功率变换电路，是以电路为主体的，电路图如图6所示。
如图6所示，该电路主要由直流电源V、稳压电容C1、升压电容C2和由开关管和二极管组成的桥臂电路组成，桥臂电路的数量与电机的相数相等，本实施例采用3相为例，其中，电容C2的负极与电容C1的正极连在一起，各相的桥臂电路部分连接相同，
因此以A相作为代表进行说明，如图6虚线框所示，开关管VTA1将电容C2的正极和开关管VTA2相连，二极管VDA1将电容C1的正极与开关管VTA2相连，上桥臂续流二极管VDA2连接在升压电容C2的正极，每个桥臂上均连接一相电机绕组。所述的开关磁阻电机四电平功率电路中升压电路和绕组桥臂中的功率开关器件均采用全控型器件。
该电路每相绕组具有四种工作模式(图7-10)，仍以A相绕组为例：
①开关管VTA1、VTA2、VTA3开通，二极管VDA1、VDA2、VDA3反向截止，电压UC1+UC2加至A相绕组两端，A相绕组运行在快速励磁(+2)状态；
②开关管VTA2、VTA3导通，VTA1关断，二极管VDA1导通，VDA2、VDA3截止，电源电压UC1加至A相绕组两端，A相绕组运行在常压励磁(+1)状态；
③开关管VTA3开通，开关管VTA1、VTA2关断，二极管VDA1、VDA2反向截止，VDA3正向导通，A相绕组两端电压为0，A相绕组运行在续流(0)状态；
④开关管VTA1、VTA2、VTA3关断，二极管VDA2、VDA3正向导通，电压UC1+UC2反向加在A相绕组两端，A相绕组运行在快速退磁(-2)状态。
本功率电路能使SRM每相绕组工作在-2、0、+1、+2四种工作状态，实现了绕组的快速励磁和快速退磁，为提高SRD在高速运行时的性能提供了可能。同时实现了各相绕组工作状态的完全独立，在切换工作状态时不会受到其他绕组工作状态的限制。这使得开关磁阻电机各相绕组的工作状态在任意时刻均能独立切换，解决了电机在重叠运行时四电平功率电路不能有效工作的问题，有助于采取更加灵活的控制策略，进一步提高SRD的性能。
为了说明所提出的多电平功率电路能保证电机各相绕组之间完全独立工作，图11选取了最为极端的4种重叠导通的情况，这四种情况的实现，验证了在两相重叠导通时，(+1，-2)、(+1，+2)、(+1，0)、(+2，0)、(+2，-2)、(-2，0)六种重叠导通状态的实现，同时也验证了在三相重叠导通时，(+1，+2，0)、(+1，+2，-2)、(+1，0，-2)、(+2，0，-2)四种重叠导通状态的实现。也就是说，所提出的多电平功率电路适用于任意相数的开关磁阻电机，各相可独立控制，分别为四电平中的任意电平，且重叠运行的电机相数可为小于等于电机相数的任意相数。该电路实现了对电机绕组的快速励磁和快速退磁功能。以下将结合图示对这四种极端的工作情况进行详细的说明。
如图11(a)所示验证了所述功率电路分别为各相绕组提供+1、+2、0三种电平，其中VTA2、VTA3导通，VTA1关断，C1两端的电压通过VDA1、VTA2、VTA3加在A相绕组，即+1状态；VTB1、VTB2、VTB3导通，C1、C2的叠加电压通过VTB1、VTB2、VTB3加在B相绕组，即+2状态；VTC3导通，VTC2、VTC1关断，绕组C通过VTC3、VDC3短路，两端电压为0，即0状态。通过本图可以说明，所述开关磁阻电机四电平功率电路可以同时分别为各相提供+1、+2、0三种电平。
如图11(b)所示是验证了所述功率电路分别为各相绕组提供+1、+2、-2三种电平，A、B两相的情况和图11(a)中相同，C相的VTC2、VTC1、VTC3关断，C1、C2的叠加电压通过VDC1、VDC2、VDC3反向加在C相绕组两端，即-2状态。通过本图可以说明，所述开关磁阻电机四电平功率电路可以同时分别为各相提供+1、+2、-2三种电平。
如图11(c)所示验证了各相分别为绕组提供+1、0、-2三种电平，A、C两相的情况和图11(b)中相同，分别为+1、-2状态；B相和图11(a)中的C相相同，为0状态。通过本图可以说明，所述开关磁阻电机四电平功率电路可以同时分别为各相提供+1、0、-2三种电平。
如图11(d)所示验证了各相分别为绕组提供+2、0、-2三种电平，B、C两相的情况和图11(c)中相同，分别为0、-2状态；A相和图11(b)中的B相相同，为+2状态。通过本图可以说明，所述开关磁阻电机四电平功率电路可以同时分别为各相提供+2、0、-2三种电平。
本发明的升压电容C2，其负极与电源正极相连，正极与开关管VTA1、VTB1、VTC1的源极相连。从结构上来说，升压电容C2归所有不对称半桥臂共用，这样的设计可以有效减小功率变换电路的体积，但是由于开关管VTA1、VTB1、VTC1的存在，并不会影响电路的功能(即不会使绕组各相变得不独立)。
综上所述，本发明的功率变换电路与以往的多电平功率变换电路最根本的不同点是每相绕组的四种工作模式都可以独立切换，不受其他相的工作模式限制。除此之外，该功率电路在单相导通、多相导通(最大同时导通相数等于电机实际相数)均适用，各相工作模式均可以独立控制。
从结构上来说，本发明提出的多电平功率变换电路与现有的多电平功率变换电路最大的区别在于其每个桥臂的上桥臂开关管源极与升压电容之间都具有一只开关管，用于实现对该点电位的控制，这是该电路实现各相独立工作的根本原因。
除此之外，所提出的多电平功率变换电路只包含一个电容，就完成了各相独立多电平的实现，该电容负极与电源正极相连，正极与开关管VTA1、VTB1、VTC1的集电极相连。因为常规的思路来讲，要想同时实现各相的多电平和独立切换，需要有多个升压电路，进而增加升压电容的数量。
将本功率电路运用于开关磁阻电机驱动***，可利用其具有高压励磁和高压退磁的优势，来提高SRD的输出性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种开关磁阻电机四电平功率电路，其特征在于，包括直流电源V、稳压电容C1、升压电容C2和由开关管和二极管组成的桥臂电路组成，桥臂电路的数量与电机的相数相等，每个桥臂电路上均连接一相电机绕组；
所述稳压电容C1与所述直流电源V并联，所述升压电容C2的负极与稳压电容C1的正极串联；
所述桥臂电路包括开关管VT1、VT2、VT3，以及二极管VD1、VD2、VD3；所述电机绕组的上端连接开关管VT2的发射极，电机绕组的下端连接开关管VT3的集电极，开关管VT3的的发射极接直流电源V的负极；
所述二极管VD3的正极接直流电源V的负极，二极管VD3的负极连接开关管VT2的发射极；二极管VD2的正极连接开关管VT3的集电极，二极管VD2的负极与开关管VT1的集电极相连；
所述开关管VT1的集电极连接升压电容C2的正极，开关管VT1的发射极连接开关管VT2的集电极；所述二极管VD1的正极连接稳压电容C1的正极，二极管VD1的负极连接开关管VT2的集电极，二极管VD2的负极连接在升压电容C2的正极。
2.根据权利要求1所述的一种开关磁阻电机四电平功率电路，其特征在于，所述开关管VT1、VT2、VT3采用全控型器件。
3.如权利要求1-2所述开关磁阻电机四电平功率电路的使用方法，其特征在于，每个桥臂电路所连接的一相的电机绕组有四种工作模式，
(1)开关管VT1、VT2、VT3开通，二极管VD1、VD2、VD3反向截止，电压UC1+UC2加至电机绕组两端，电机绕组运行在快速励磁状态；
(2)开关管VT2、VT3导通，VT1关断，二极管VD1导通，VD2、VD3截止，电源电压UC1加至电机绕组两端，电机绕组运行在正常励磁状态；
(3)开关管VT3开通，开关管VT1、VT2关断，二极管VD1、VD2反向截止，VD3正向导通，电机绕组两端电压为0，电机绕组运行在续流状态；
(4)开关管VT1、VT2、VT3关断，二极管VD2、VD3正向导通，电压UC1+UC2反向加在电机绕组两端，电机绕组运行在快速退磁状态。
4.根据权利要求3所述的使用方法，其特征在于，每一相的电机绕组的四种工作模式都独立切换，不受其他相的电机绕组的工作模式限制，重叠运行的电机相数为小于等于电机相数的任意相数。
5.如权利要求1-2任一项所述开关磁阻电机四电平功率电路的应用，其特征在于，应用于任意相数的电机，功率电路的相数与电机绕组相数相等。
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