CN100464495C - 三开关式功率变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三开关式功率变换器，在两个串联的电机线圈之间串联有一个可控开关器件，并在该可控开关器件两端与电源正极和负极之间分别加入一个二极管作为辅助二极管，其中一个二极管的阴极与电源正极相连，阳极连于电机线圈和可控开关器件之间；另一个二极管的阳极与电源负极相连，阴极连于电机线圈和可控开关器件之间，在电机绕组续流时能成倍增加绕组两端的反压，加速电机换相过程，改善了换相性能，增加输出功率，有效减小转矩脉动，提高效率，同时还可以有效地减小开关磁阻电机径向力，能达到减小振动、降低噪音的效果。

Description

三开关式功率变换器

一、技术领域

本发明涉及一种功率变换器，尤其涉及一种适用于开关磁阻电动机的功率变换器。

二、背景技术

开关磁阻电动机的结构简单、转子无绕组、无永磁，定子仅有集中绕组，配套的开关电路也不复杂，具有效率高、控制方便、调速性能优异、可靠性好、能适用恶劣环境等优点，是目前电机研究的热点之一。

在实际使用中，开关磁阻电动机各相电流按位置闭环控制保持一定的相序和一定的通断时刻，换相时电机迅速向电源回馈能量，相绕组电流在电感上升区结束时迅速衰减到零，否则会产生负转矩。由于电机转子是反应式结构，只需单极性的变换器。但是，开关磁阻电动机绕组互感很小，不能利用绕组互感耦合将能量转移到下一工作相，开关磁阻电动机的相电流没有自然过零点，如果使用单极性输出的变换器，必须进行强迫换相，这种续流方式不利于开关磁阻电动机系统性能的发挥。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种不改变开关磁阻电动机基本结构，可加速换相过程、改善换相性能、提高开关磁阻电动机输出功率的三开关式功率变换器。

2、技术方案：本发明在现有的传统开关磁阻电动机不对称半桥式功率变换器主电路的基础上，利用在电机每相绕组串联的线圈之间增加一个可控开关器件和两个二极管构成本发明提出的三开关式功率变换器。现有的不对称半桥式功率变换器的每相电路包括两个可控开关器件和两个续流二极管，可控开关器件与电机线圈串联，一个续流二极管的阴极与电源正极相连，阳极连于可控开关器件与电机线圈之间；另一个续流二极管的阳极与电源负极相连，阴极连于可控开关器件与电机线圈之间。本发明的在两个串联的电机线圈之间增加了一个可控开关器件，并在该可控开关器件两端与电源正极和负极之间分别加入一个二极管，其中一个二极管的阴极与电源正极相连，阳极连于电机线圈和附加可控开关器件之间；另一个二极管的阳极与电源负极相连，阴极连于电机线圈和附加可控开关器件之间，通过对附加的可控开关器件的控制确保能使每相绕组中的两组线圈实现并、串联自动变换。即在可控开关器件导通阶段，常规开关磁阻电动机线圈串联组成的绕组仍呈现串联状态，在可控开关器件关断阶段则转成并联状态以成倍提高电机绕组续流时的换相电压，提高换相效果。

3、有益效果：本发明的优点是：在电机绕组续流时成倍增加了绕组两端的反压，加速电机换相过程，改善了换相性能，增加了输出功率，有效减小了转矩脉动，提高了效率，同时还可以有效地减小开关磁阻电机径向力，能达到减小振动、降低噪音的效果。

四、附图说明

图1是开关磁阻电动机三开关功率变换器一相电路原理图；

图2是常规开关磁阻电动机不对称半桥式功率变换器一相主电路原理图；

图3是开关磁阻电机一相绕组(L1、L2两部分线圈)示意图；

图4是开关磁阻电动机线圈电感、电流曲线示意图。

图5是采用三开关式功率变换器的开关磁阻电动机线圈电感、电流曲线示意图；

五、具体实施方式

如图1所示，开关磁阻电动机三开关功率变换器的每相电路包括两个开关元件和两个二极管，开关元件S₁与电机线圈L₁串联，开关元件S₂与电机线圈L₂串联，二极管D1的阴极与电源正极相连，开关元件S₂与电机线圈L₂之间；二极管D2的阳极与电源负极相连，阴极连于开关元件S₃与电机线圈L₁之间，在两个串联的电机线圈L₁和L₂之间串联一个可控开关器件S₃，并在该可控开关器件S₃两端与电源正极和负极之间分别加入一个二极管D₃、D₄作为辅助二极管，其中二极管D₃的阴极与电源正极相连，阳极连于电机线圈L₁和可控开关器件S₃之间；二极管D₄的阳极与电源负极相连，阴极连于电机线圈L₂和可控开关器件S₃之间。当S1、S2、S3同时导通时，电源对电机线圈供电，绕组电流路径为电源U+→S1→L1→S3→L2→S2→电源负极，电机绕组串联，向外提供转矩；当S1、S2、S3关断时，电机线圈并联，将能量回馈电源，电流循电源负极→D2→L1→D3→电源正极和电源负极→D4→L2→D1→电源正极两条并联路径向子电源回馈电能。

如图3所示，以三相6/4结构开关磁阻电动机为例进行说明。图中定、转子均为凸极齿槽结构，定子齿设有集中绕组，转子无绕组，当转子位置变化时，各相磁路的磁阻及相绕组的电感也随之改变，把线圈轴线(定子齿轴线)与转子槽轴线重合位置定义为θ＝0°，该位置相电感为最小值L_min；再定义定子相绕组轴线和转子齿轴线重合位置其为θ_m，其时电感具有最大值L_max。图中所示的就是相电感L(θ)以转子齿距角θ_r为周期而变化的关系曲线。从开关磁阻电动机电动运行机理来说，一般地，在电机线圈电感上升区(0～θ_m之间区域，如附图4中θ₁位置)控制附图2中S1、S2导通，电源对电机绕组供电，电机线圈电流循电源正极→S1→L1→L2→S2→电源负极路径变化；在电机线圈电感下降区(θ_m～θ_r之间区域，如附图4中θ₂位置)控制图2中S1、S2关断，此时，电机将磁能转化为电能回馈给电源，电机线圈电流循电源U_-→D2→L1→L2→D1→电源正极路径变化，波形如附图4所示。该方案的缺陷是电机强迫换相时间长，且在电感下降区产生负转矩，影响系统出力。在不改变开关磁阻电动机基本结构的前提下，本实施例的三开关式功率变换器的主电路新拓扑确保能通过对附加可控开关器件的简单控制就可实现电机绕组串、并联转换，即在电源对电机绕组供电阶段，常规开关磁阻电机线圈串联组成的绕组可呈现串联状态，而在绕组换相阶段则转换为并联状态，当S1、S2、S3同时导通时，电源对电机线圈供电，绕组电流路径为电源正极→S1→L1→S3→L2→S2→电源负极，电机绕组串联，向外提供转矩；当S1、S2、S3关断时，电机线圈并联，将能量回馈电源，电流循电源负极→D2→L1→D3→电源正极和电源负极→D4→L2→D1→电源正极两条并联路径向电源回馈电能。电机线圈的电流波形如图5所示，可以明显看出换相性能得到了很大改善。

Claims (1)

1.一种三开关式功率式变换器，其每相电路包括第一、第二开关元件(S₁、S₂)和第一、第二极管(D1、D2)，第一开关元件(S₁)与第一电机线圈(L₁)串联，第二开关元件(S₂)与第二电机线圈(L₂)串联，第一开关元件(S₁)非与第一电机线圈(L1)连接的一端与电源的正极连接，第二开关元件(S2)非与第二电机线圈(L2)连接的一端与电源的负极连接，第一二极管(D1)的阴极与电源正极相连，阳极连于第二开关元件(S₂)与第二电机线圈(L₂)之间；第二二极管(D2)的阳极与电源负极相连，阴极连于第一开关元件(S₁)与第一电机线圈(L₁)之间，其特征在于，该三开关式功率式变换器的每相电路在两个串联的第一电机线圈(L₁)和第二电机线圈(L₂)之间串联一个可控开关器件(S₃)，并在该可控开关器件(S₃)的一端与电源正极之间加入一个第三二极管(D₃)，可控开关器件(S₃)的另一端与电源负极之间加入一个第四二极管(D₄)，第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)作为辅助二极管，其中第三二极管(D₃)的阴极与电源正极相连，阳极连于第一电机线圈(L₁)和可控开关器件(S₃)之间；第四二极管(D₄)的阳极与电源负极相连，阴极连于第二电机线圈(L₂)和可控开关器件(S₃)之间。

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