CN100428623C - 一种磁浮开关磁阻电机悬浮绕组的功率电路控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁浮开关磁阻电机悬浮绕组的功率电路控制系统，它包括电容电压自平衡功率电路、两分裂电容、IPM智能功率模块、悬浮力控制器、电压平衡控制器、悬浮绕组、整流器等，电容电压自平衡功率电路由高频变压器、两只有反并联二极管的功率开关管和两只续流二极管组成。根据检测所得两分裂电容电压，电压平衡控制器分别驱动与高频变压器原、副边绕组相连的功率开关管，实现两分裂电容间电压平衡。悬浮力控制器通过控制IPM智能功率模块，控制各悬浮绕组电流，进而控制悬浮力。本发明可推广到任意数悬浮绕组，各绕组电流大小任意可调，各绕组电流方向任意可控，可避免两分裂电容中点电压漂移，确保电机悬浮性能，效率高，悬浮控制灵活。

Description

一种磁浮开关磁阻电机悬浮绕组的功率电路控制系统

技术领域：

本发明涉及一种磁浮开关磁阻电机悬浮绕组的功率电路控制系统，特别是用能量动态转移技术，实现双电源功率电路中两个分裂电容电压自平衡，属于磁悬浮开关磁阻电机类的悬浮控制技术领域。

背景技术：

磁浮开关磁阻电机将开关磁阻电机和磁悬浮轴承集成于一体，大体有两类结构：一种是在传统12/8极开关磁阻电机的转矩绕组上叠加一套悬浮绕组，由转矩绕组提供基磁通，控制悬浮绕组电流大小和方向，以控制悬浮力大小和方向；另一种则利用磁悬浮轴承概念，电机与悬浮部分无磁场耦合，悬浮绕组被单独绕于悬浮用磁极上，基磁通由永磁体或另一套绕组提供，通过控制悬浮绕组电流大小与方向，可控制悬浮力的大小和方向。磁浮开关磁阻电机，充分利用传统开关磁阻电机优势的同时避免了传统机械轴承的缺点，可有效降低开关磁阻电机的振动和噪声，因而很有应用前景。

上述磁浮开关磁阻电机都需要有效控制悬浮绕组电流的方向和大小，所以要求悬浮绕组的功率电路不但能够控制各绕组电流大小，而且能灵活控制各绕组电流方向。目前，可供选择的悬浮绕组功率电路有两种：

一种是：具有两分裂电容的双电源结构，两分裂电容串联，各悬浮绕组的负端连接于两分裂电容的中点，各悬浮绕组的正端则分别连至各个由两功率开关管串联组成的桥臂上，各功率开关管反向并联一个二极管。为了平衡两分裂电容电压，两分裂电容各并联一个同样的功率电阻。该电路的不足为：(1)并联电阻消耗能量，将降低效率；(2)当悬浮绕组电流较大时，无法实现电压平衡，即两电容中点电压将漂移。

另一种是：申请号为200510040266.X的中国专利中公开的三相四桥臂拓扑电路，每个桥臂均由两个功率开关管串联后接在单电源正负两端，各个桥臂的功率开关管均反向并联一个二极管，第1个桥臂的两个功率开关管串联点均与三套悬浮绕组负端相连，其他三个桥臂依次连接三套悬浮绕组正端。该技术将第1个桥臂作为公共桥臂，该桥臂上两个功率开关管代替双电源电路中的两个分裂电容，避免了分裂电容中点电压飘移问题。但是，由于该公共桥臂上两个功率开关管不能同时开通，以避免直通短路，所以该电路的不足在于：任何时刻都只能允许三套悬浮绕组电流具有同一方向，当需要三套绕组电流方向不受限制时该电路则不再实用，比如，它不实用于第二类磁浮开关磁阻电机的悬浮控制，也只实用于第一类磁浮开关磁阻电机任何时刻只一相导通的情况。

发明内容：

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，为磁浮开关磁阻电机悬浮绕组提供一种功率电路控制系统，以不受限制地满足对悬浮绕组的控制要求，即，适合于任意绕组数应用，各悬浮绕组电流大小分别任意可调，各悬浮绕组电流方向分别任意可控。通过采用两分裂电容间的动态能量转移技术，实现双电源功率电路中两分裂电容电压自平衡，同时确保高效率。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的。

本发明的磁浮开关磁阻电机悬浮绕组的功率电路控制系统包括电容电压自平衡功率电路、两分裂电容C₁和C₂、悬浮绕组、IPM智能功率模块、悬浮力控制器、整流器、功率开关管驱动电路、电压平衡控制器、两分裂电容端电压检测单元，其连接方式为：两分裂电容端电压检测单元检测两分裂电容C₁和C₂的端电压，并联接到电压平衡控制器；电压平衡控制器则与功率开关管驱动电路相联，功率开关管驱动电路与电容电压自平衡功率电路相联，两分裂电容C₁和C₂串联后与整流器并联，IPM智能功率模块的直流母线正、负端分别连接于整流器正、负端，悬浮力控制器与IPM智能功率模块相联，电容电压自平衡功率电路的中点连接于两分裂电容C₁和C₂串联电路的中点，三个悬浮绕组的负端短接后联到两分裂电容C₁和C₂串联电路的中点，三个悬浮绕组的正端则分别连接于IPM智能功率模块各桥臂的中点。

上述的电容电压自平衡功率电路包括高频变压器、两只有反并联二极管的功率开关管、两只续流二极管，其联接方式为：高频变压器原、副边绕组分别与两只续流二极管并联，且高频变压器两绕组的首端互为同名端，两绕组首端分别连接两只续流二极管的阴极，高频变压器原、副边绕组末端分别与两只有反并联二极管的功率开关管集电极相联，将高频变压器原边绕组的首端联接到整流器正端，与高频变压器原边绕组串联的有反并联二极管的功率开关管发射极被联接到两分裂电容C₁和C₂串联电路的中点，高频变压器副边绕组的首端被联接到两分裂电容C₁和C₂串联电路的中点，与高频变压器副边绕组串联的有反并联二极管的功率开关管发射极被联接到整流器负端。

本发明中两分裂电容端电压检测单元检测两分裂电容C₁和C₂的端电压信号，反馈回电压平衡控制器，电压平衡控制器通过功率开关管驱动电路、两只有反并联二极管的功率开关管控制高频变压器绕组与两分裂电容间的通断，完成能量转移，进而平衡两分裂电容C₁和C₂的端电压。若电压平衡控制器通过功率开关管驱动电路输出PWM信号，驱动与高频变压器原边绕组相串联的功率开关管，则将使与此支路相并联的分裂电容电量转移到另一只分裂电容，反之亦然。例如，运行中，若检测到与高频变压器原边绕组支路并联的分裂电容(C₁)端电压高于另一只分裂电容(C₂)端电压，则通过PWM信号驱动高频变压器原边绕组支路上的功率开关管，则电压较高的分裂电容(C₁)能量通过高频变压器被转移到电压较低的分裂电容C₂，实现两分裂电容C₁和C₂的电压平衡。悬浮力控制器控制IPM智能功率模块，通过控制IPM智能功率模块各桥臂的两只开关管，控制与其相连的各悬浮绕组电流方向和大小，进而控制悬浮力。电压平衡控制器和悬浮力控制器独立运行。

本发明具有如下的优点和效益：

(1)通过受功率开关管控制的高频变压器完成两分裂电容C₁和C₂间的能量转移，进而平衡两分裂电容的端电压；

(2)各悬浮绕组电流大小分别任意可调，各悬浮绕组电流方向分别任意可控；

(3)可推广应用于任意数目的悬浮绕组；

(4)使两分裂电容的端电压恒定，给悬浮绕组供以恒定电压，确保电机悬浮性能；

(5)不但可避免两分裂电容中点电压漂移，而且效率高，使悬浮控制更灵活、更有效。

附图说明：

图1是本发明磁浮开关磁阻电机悬浮绕组功率电路原理图。

图2是本发明磁浮开关磁阻电机悬浮绕组功率电路控制系统结构方框图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明磁浮开关磁阻电机悬浮绕组功率电路包括：IPM智能功率模块，高频变压器，有反并联二极管D₇的功率开关管T₇，有反并联二极管D₈的功率开关管T₈，两只续流二极管D₉和D₁₀，整流器，两分裂电容C₁和C₂，三个悬浮绕组。该功率电路的联接方式为：两分裂电容C₁和C₂串联后与整流器并联，续流二极管D₁₀与高频变压器原边绕组并联，续流二极管阴极被联接到整流器正端，且续流二极管阴极与高频变压器原边的首端相连，高频变压器原、副边绕组的首端互为同名端，功率开关管T₇的集电极串接高频变压器原边绕组末端，功率开关管T₇的发射极联接于两分裂电容C₁和C₂相串联的中点。高频变压器副边绕组首端与续流二极管D₉的阴极连接后，共同联到两分裂电容C₁和C₂相串联的中点，功率开关管T₈的集电极与高频变压器副边绕组末端串联，功率开关管T₈的发射极联接于整流器负端。三个悬浮绕组的负端短接后联接于两分裂电容C₁和C₂相串联的中点，而每个悬浮绕组的正端分别联到IPM智能功率模块各桥臂中点。IPM智能功率模块直流母线的正、负端分别与整流器正、负端联接。IPM智能功率模块包含了六只功率开关管T₁、T₂、T₃、T₄、T₅和T₆，每个功率开关管各反并联一只二极管，分别是D₁、D₂、D₃、D₄、D₅和D₆。

图2给出了本发明磁浮开关磁阻电机悬浮绕组功率电路控制系统结构方框图，主要包括：电容电压自平衡功率电路、两分裂电容C₁和C₂、悬浮绕组、IPM智能功率模块、悬浮力控制器、整流器、功率开关管驱动电路、电压平衡控制器、两分裂电容端电压检测单元。其连接关系为：两分裂电容端电压检测单元反馈两分裂电容C₁和C₂的端电压信号给电压平衡控制器，电压平衡控制器经过功率开关管驱动电路输出PWM信号，驱动电容电压自平衡功率电路，实现两分裂电容C₁和C₂的端电压平衡控制；悬浮力控制器输出PWM信号，驱动IPM智能功率模块控制悬浮绕组电流大小和方向；整流器则将交流电转为直流电后提供给两分裂电容C₁和C₂存储。电压平衡控制器和悬浮力控制器独立运行。

本发明的控制系统实现过程为：如图1和图2所示，IPM智能功率模块的功率开关管T₁-T₆由悬浮力控制器控制，实现各悬浮绕组电流闭环控制。电容电压自平衡功率电路中的功率开关管T₇与T₈由电压平衡控制器控制，在运行过程中，该控制器自动检测电容C₁和电容C₂各自的端电压。当检测到电容C₁和C₂的端电压发生严重不平衡时，启动电压平衡控制器，其运行原理为：若电容C₁端电压U₁与电容C₂端电压U₂间的电压差大于预设定阈值时，若定义ΔU_h为预设定阈值，则当|U₁-U₂|＞ΔU_h时电压平衡控制器开始工作，将端电压高的电容电量快速转移到端电压低的电容中，使两电容的端电压相等，实现两电容电压平衡目的。例如，电容C₁的端电压U₁大于电容C₂的端电压U₂，则电压平衡控制器通过功率开关管驱动电路输出PWM信号，驱动功率开关管T₇。当T₇导通时，高频变压器原边绕组充能，通过磁场耦合，能量被传递到高频变压器副边绕组，经过高频变压器副边绕组、电容C₂、二极管D₈构成的回路，给电容C₂充电；当T₇关断时，高频变压器原、副边绕组电流分别经过两个续流回路，即，原边绕组经D₁₀续流，副边绕组经D₉续流。同样，当电容C₂的端电压高于电容C₁的端电压时，电压平衡控制器通过功率开关管驱动电路输出PWM信号，对功率开关管T₈进行控制，电容C₂中的电量通过变压器及D₇转移到电容C₁。

在系统实现中，高频变压器为无气隙高频变压器，且原、副边绕组匝数相等。电容电压U₁和U₂被检测后，输入电压平衡控制器，根据两电压的不平衡情况，电压平衡控制器通过功率开关管驱动电路输出PWM信号，控制电容电压自平衡功率电路，进行两电容间能量转移，最终实现两电容电压平衡。

本发明的其他变化和修改对本领域技术人员来说是显而易见的，本发明并不局限于所述的具体实施方式。因此，与本发明所公开内容的真正实质和基本原则范围内的任何/所有修改、变化或等效变换，都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (3)

1、一种磁浮开关磁阻电机悬浮绕组的功率电路控制系统，包括一套电容电压自平衡功率电路、两分裂电容(C₁、C₂)、三个悬浮绕组、IPM智能功率模块、悬浮力控制器、整流器、功率开关管驱动电路、电压平衡控制器、两分裂电容端电压检测单元，两分裂电容端电压检测单元检测两分裂电容(C1、C2)的端电压，并且联接到电压平衡控制器；电压平衡控制器则与功率开关管驱动电路相联，功率开关管驱动电路与电容电压自平衡功率电路相联，两分裂电容(C1、C2)串联后与整流器并联，IPM智能功率模块的直流母线正、负端分别连接于整流器正、负端，悬浮力控制器与IPM智能功率模块相联，电容电压自平衡功率电路的中点连接于两分裂电容(C1、C2)串联电路的中点，三个悬浮绕组的负端短接后联到两分裂电容(C1、C2)串联电路的中点，三个悬浮绕组的正端则分别连接于IPM智能功率模块各桥臂的中点；其特征在于：电容电压自平衡功率电路包括1台高频变压器、两只有反并联二极管的功率开关管、两只续流二极管，高频变压器的原边绕组与一只续流二极管并联，副边绕组与另一只续流二极管并联，且高频变压器原、副边绕组的首端互为同名端，原边绕组首端连接一只续流二极管的阴极，副边绕组首端连接另一只续流二极管的阴极，高频变压器原边绕组未端与一只有反并联二极管的功率开关管集电极相联，高频变压器副边绕组末端与另一只有反并联二极管的功率开关管集电极相联，将高频变压器原边绕组的首端联接到整流器正端，与高频变压器原边绕组串联的有反并联二极管的功率开关管发射极被联接到两分裂电容(C1、C2)串联电路的中点，高频变压器副边绕组的首端被联接到两分裂电容(C1、C2)串联电路的中点，与高频变压器副边绕组串联的有反并联二极管的功率开关管发射极被联接到整流器负端。

2、根据权利要求1所述的一种磁浮开关磁阻电机悬浮绕组的功率电路控制系统，其特征是：通过受功率开关管控制的1台高频变压器完成两分裂电容(C1、C2)间能量转移，进而平衡两电容端电压。

3、根据权利要求1所述的一种磁浮开关磁阻电机悬浮绕组的功率电路控制系统，其特征是：高频变压器为无气隙高频变压器，且原、副边绕组匝数相等。

Images