CN101262195B - 五电平开关磁阻电机功率变换器 - Google Patents

Abstract

一种五电平开关磁阻电机功率变换器，由控制绕组通断电的电控开关、滤波电容、电动机三相绕组、二极管和控制器组成。两只直流滤波电容器串联后，与串联有下位续流二极管的二只上位电控开关和串联有上位续流二极管的二只下位电控开关并联，在二只上位电控开关下级电控开关的发射极与二只下位电控开关的上级电控开关的集电极之间分别串联三个电机绕组，两直流滤波电容器中点通过二极管分别与二只上位电控开关串联中点连接，并通过二极管和二只下位电控开关的串联中点连接，每只电控开关的控制端与控制器相连。它可以减少开关次数，降低器件的损耗，提高系统的效率，使开关磁阻电机能够在大功率场合得以应用，具有广泛的实用性。

Description

五电平开关磁阻电机功率变换器 

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机功率变换器，具体地说，是涉及一种大功率的五电平开关磁阻电机功率变换器。 

背景技术

开关磁阻电机在宽广的速度和功率范围内都能保持较高的效率，功率范围从10W到5MW，几乎难以找到开关磁阻电机传动系统不适合的领域。但传统的开关磁阻电机的功率变换器由于功率器件本身容量的限制，使其很难在大功率场合(500kW以上)得以应用。传统的功率变换器拓扑结构中，由于现有功率器件IGBT伏安容量的限制使开关磁阻电机只能应用于中小功率的场合，限制了开关磁阻电机在大功率场合的应用。而且由于电平数较少造成功率器件开关次数多，器件的损耗大，系统效率低，可靠程度不高，满足不了生产实际的要求。 

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对已有技术中的问题，提供一种减少功率器件开关次数，降低器件损耗，提高系统效率的五电平开关磁阻电机功率变换器。 

技术方案：为了实现上述目的，本发明的五电平开关磁阻电机功率变换器，由直流滤波电容器、电控开关、二极管和控制器组成。两只直流滤波电容器接在电源输入侧，两只直流滤波电容器串联后，与串联有下位续流二极管的二只上位电控开关和串联有上位续流二极管的二只下位电控开关并联，在二只上位电控开关下级电控开关的发射极与二只下位电控开关的上级电控开关的集电极之间分别串联有三个电机绕组，两直流滤波电容器中点通过二极管分别与二只上位电控开关串联中点连接，并通过二极管和二只下位电控开关的串联中点连接，每只电控开关的控制端与控制器相连；上位、下位电控开关均为为IGBT，两只上位、下位电控开关的串联方式为一只的集电极接到第二只的发射极。 

本发明与现有技术相比的有益效果是： 

1、每一相的上下半桥用两个管子串联，在相同电机容量下，器件的容量只有传统变换器器件容量的一半，减少了系统成本。 

2、减少了器件的开关次数，因此降低了系统的损耗，提高了系统的工作效率。 

3、由于器件承受的电压只为直流电压的一半，所以在同等器件容量的情况下，可以将开关磁阻电机控制系统应用到大功率场合。 

附图说明

图1为本发明的控制电路图。 

图2为开关磁阻电机结构示意图。 

图3为本发明的工作状态图。 

图中：Sa1、Sa2、Sa3、Sa4：A相电控开关； 

Da1、Da2、D1、D2：A相续流二极管； 

Sb1、Sb2、Sb3、Sb4：B相电控开关； 

Db1、Db2、D3、D4：B相续流二极管； 

Sc1、Sc2、Sc3、Sc4：C相电控开关； 

Dc1、Dc2、D5、D6：C相续流二极管； 

U1、U2：直流电容； 

La、Lb、Lc：A、B、C三相电机绕组。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实例作进一步说明： 

图1所示，将输入电源滤波并向电机提供直流电压的直流滤波电容器U1，U2串联后，与串联有下位续流二极管Da2，Db2，Dc2的二只上位电控开关Sa1、Sa2，Sb1、Sb2，Sc1、Sc2和串联有上位续流二极管Da1，Db1，Dc1的二只下位电控开关Sa3、Sa4，Sb3、Sb4，Sc3、Sc4并联，在二只上位电控开关下级电控开关Sa2，Sb2，Sc2的发射极与二只下位电控开关的上级电控开关Sa3，Sb3，Sc3的集电极之间分别串联有三个电机绕组La、Lb、Lc，两直流滤波电容器U1、U2中点通过二极管D1、D3、D5分别与二只上位电控开关Sa1、Sa2，Sb1、Sb2，Sc1、Sc2串联中点连接，D2、D4、D6和二只下位电控开关Sa3、Sa4，Sb3、Sb4，Sc3、Sc4的串联中点连接，每只电控开关的控制端与控制器相连。上位、下位电控开关为IGBT(绝缘栅极型功率管)，两只上位、下位电控开关的串联方式为第一只的发射极接到第二只的集电极。 

图2所示，开关磁阻电机，四个径向相对的绕组相互串联构成一个四极磁极，称为一相，图中，A1、A2、A3、A4四个极的绕阻串连构成A相，B1、B2、B3、B4构成B相，C1、C2、C3、C4构成C相。电机的运行原理遵循磁阻最小原理——磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的转子铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。因此，只要依一定次序给定子的相绕组通电，电动机转子就会连续转动起来。当C相通电励磁时，所产生的磁力会使转子旋转到转子极轴线1-1’与定子极C2-C4轴线重合的位置，并使C相励磁绕组的 电感最大。由于电机结构对称，此时另一条转子极轴线1-1’与定子极C1-C3轴线也相互重合。同理，当A相通电励磁时，所产生的磁力会使转子旋转到转子极轴线2-2’与定子极A1-A3轴线重合的位置，并使A相励磁绕组的电感最大，若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，依次给C-A-B-C相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，如果依次给B-A-C-B相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动。 

对于每一相绕组通电时，该电路具有5种工作状态，以A相为例： 

图3所示，状态2：主开关器件Sa1，Sa2，Sa3，Sa4导通，绕组电流如图3(a)中ia所示，此时绕组承受的电压为2U。 

状态1：主开关器件Sa1，Sa2，Sa3导通，绕组电流如图3(b)中ia所示，此时绕组承受的电压为U。 

状态0：主开关器件Sa3，Sa4导通，绕组电流如图3(c)中ia所示，此时绕组承受的电压为0。 

状态-1：主开关器件Sa2导通，二极管Da1，D1，绕组电流如图3(d)中ia所示，此时绕组承受的电压为-U。 

状态-2：二极管Da1，Da2，D1，D2，绕组电流如图3(e)中ia所示，此时绕组承受的电压为-2U。 

开关磁阻电机控制中的具体控制过程，以A相为例： 

①首先判断电机的当前转速是否大于额定转速的50％，是去②，否⑤。 

②A相的四个开关器件Sa1、Sa2、Sa3、Sa4全导通，判断当前电流是否大于控制器给定电流，是去③，否去②。 

③A相的下面两个开关器件Sa3，Sa4导通，判断当前电流是否小于控制器给定电流，是去②，否去④。 

④A相的四个开关器件Sa1、Sa2、Sa3、Sa4全关断，判断当前电流是否小于控制器给定电流，是去②，否去④。 

⑤A相的三个开关器件Sa1、Sa2、Sa3全导通，判断当前电流是否大于控制器给定电流，是去⑥，否去⑤。 

⑥A相的下面两个开关器件Sa3，Sa4导通，判断当前电流是否大于控制器给定电流，是去⑦，否去⑤。 

⑦A相的第二个开关器件Sa2导通，判断当前电流是否大于控制器给定电流，是去⑦，否去⑤。 

Claims (2)

1.五电平开关磁阻电机功率变换器，其特征在于：两只直流滤波电容器(U1、U2)串联后，与串联有下位续流二极管(Da2，Db2，Dc2)的二只上位电控开关(Sa1、Sa2，Sb1、Sb2，Sc1、Sc2)和串联有上位续流二极管(Da1，Db1，Dc1)的二只下位电控开关(Sa3、Sa4，Sb3、Sb4，Sc3、Sc4)并联，在第一支路二只上位电控开关下级电控开关(Sa2)的发射极与二只下位电控开关的上级电控开关(Sa3)的集电极之间连接有第一电机绕组(La)，在第二支路二只上位电控开关下级电控开关(Sb2)的发射极与二只下位电控开关的上级电控开关(Sb3)的集电极之间连接有第二电机绕组(Lb)，在第三支路二只上位电控开关下级电控开关(Sc2)的发射极与二只下位电控开关的上级电控开关(Sc3)的集电极之间连接有第三电机绕组(Lc)；两直流滤波电容器(U1、U2)中点通过上位二极管(D1、D3、D5)分别与二只上位电控开关(Sa1、Sa2，Sb1、Sb2，Sc1、Sc2)串联中点连接，并通过下位二极管(D2、D4、D6)和二只下位电控开关(Sa3、Sa4，Sb3、Sb4，Sc3、Sc4)的串联中点连接，每只电控开关的控制端与控制器相连。

2.根据权利要求1所述的五电平开关磁阻电机功率变换器，其特征在于：所述的上位、下位电控开关均为IGBT，两只上位、下位电控开关的串联方式为一只的集电极接到第二只的发射极。