CN101534085A - 一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路，包括一个三相整流电源及滤波电容，三个单相半桥形式的功率逆变电路和开关控制电路。每个功率逆变电路中的受控开关由两只低压功率开关直接串联而成，续流电路为两只二极管串联或者为单个高压二极管；滤波电容有一裂相点，通过电阻分压产生二分之一直流母线电压的电平，用二极管对功率电路中所有的功率开关进行钳位。针对半桥形式功率逆变电路的工作特点，增加了控制电路特定的时序控制，可保证功率开关正常工作；采用二个功率开关串联，可以直接提高受控开关的耐压能力，降低高压开关磁阻电动机调速装置的成本。

Description

一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路
技术领域
本发明涉及一种3相开关磁阻电动机用功率电路，特别涉及其功率电路中桥臂上受控开关由两只功率开关直接串联而成。
背景技术
3相开关磁阻电动机已获得广泛的应用。略去上电限流电路后，普通型功率电路如图1所示。电动机具有三个本身隔离的相绕组，通过端子A1、A2、B1、B2和C1、C2分别受三个单相半桥形式的功率逆变电路驱动。三个单相逆变电路由三相整流的直流电源供电，输出电压靠电容滤波。电容上可并联限压放电电路，该电路由功率开关和电阻串成，电动机制动时，电容上电压大于阀值，就接通功率开关放电。
如果功率电路是回馈型的，则不设限压放电电路，而在桥式整流电路的二极管上，皆反相地并联有功率开关，并在三相电网输入处串接交流电抗器。通过这些功率开关的通断，制动时把电能回馈给三相电网。
功率逆变时，加到电动机相绕组上的平均电压值，靠功率开关的导通比来控制，斩波频率是固定的，幅值为直流母线电压。为了减小相绕组中电流的脉动，对角线上两个功率开关轮流地断开一个。断开时，电流通过相应的续流二极管构成回路，加于相绕组的电源为零，称为零压续流。
在电动机三个相绕组换向或者装置发生故障时，则逆变电路对角线上的两个功率开关全部关断，相绕组上加有反向直流母线电压，迫使相电流迅速下降到零。
随着功率的加大，需要采用高压开关磁阻电动机，但是功率开关的耐压能力有限，一种最为简便的解决办法，是用两只功率开关的串联替代原来的一只功率开关。
另一方面，高压的功率开关产量较少，价格昂贵，供货期也有限制，即使有高压的功率开关的产品，有时候也希望用两只串联的低压功率开关来代用。
除了功率开关以外，续流二极管、整流二极管等也有耐压能力问题，但是串联使用后问题不大，不需着重考虑。
发明内容
本发明正是为了解决上述技术问题而设计的一种串联使用功率开关和二极管的3相开关磁阻电动机功率电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路，包括一个三相整流电源及滤波电容，三个单相半桥形式的功率逆变电路和开关控制电路。每个功率逆变电路中的受控开关由两只低压功率开关直接串联而成，续流电路为两只二极管串联或者为单个高压二极管；滤波电容有一裂相点，通过电阻分压产生二分之一直流母线电压的电平，用二极管对功率电路中所有的功率开关进行钳位；一端接于直流电源正端的受控开关，其两个功率开关的串联处接于一只二极管的阴极，一端接于直流电源负端的受控开关，其两个功率开关的串联处接于另一只二极管的阴极，此两个二极管的另一极与滤波电容的裂相点相连。
所述一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路，在受控开关导通后，通过开关控制电路控制对角线上的两个受控开关轮流关断，相电流经过与受控开关相串联的二极管续流，靠近直流母线的两个功率开关的关断时刻早于靠近相绕组的两个功率开关的关断，从而实现零压续流斩波。
所述一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路，使靠近相绕组的两个功率开关保持导通，而同时关断靠近直流母线的两个功率开关，让相电流经过这一相的两个钳位二极管续流，从而实现零压续流斩波。
所述一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路中，使同一相的四个功率开关全部关断，在相绕组上施加负的直流母线电压；控制时，靠近直流母线的两个功率开关最先关断，靠近相绕组的功率开关最后关断。
所述一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路，通过选择四个功率开关通电程序和错开时间，使施加到相绕组的电压，在正负跳变直流母线电压的过程中插入短时的一半的正负直流母线电压，减少过电压的发生及产生的电磁干扰，另外平均起来要使电容裂相点输出的电流接近于零，减少裂相点上电压的脉动。
所述一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路，整流电源为回馈型的三电平三相桥式逆变电路，其受控开关由两个功率开关直接串联而成，采用二极管钳位；整流时依靠功率开关内含的二极管，回馈电能时依靠功率开关进行换相和斩波控制，通过接在三相输入的交流电抗器把线电流滤平；每个推拉桥臂的四个功率开关中，处于上下对称位置的两对功率开关的通断互补，从而保证功率开关正常通断。
本发明的有益效果是三个单相半桥形式功率逆变电路中受控开关由二只功率开关直接串联而成，采用二极管钳位，同时针对半桥形式功率逆变电路的工作特点，增加了控制电路特定的时序控制，可保证功率开关正常工作；采用二个功率开关串联，可以直接提高受控开关的耐压能力，降低高压开关磁阻电动机调速装置的成本。
附图说明
图1是普通型3相开关磁阻电动机功率电路图；
图2是某一相半桥形式的功率逆变电路图；
图3是图1中一种零压续流斩波方式的波形图；
图4是图1中另一种斩波方式的波形图；
图5是本发明实施例普通型功率电路图；
图6是本发明另一实施例改用三相桥式逆变电路的功率电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图2所示为某一相半桥形式的功率逆变电路，正桥臂上的受控开关由功率开关S1和S2串成，续流电路由二极管D1和D2串成。负桥臂上受控开关由功率开关S3和S4串成，续流电路由二极管D3和D4串成。正、负桥臂输出斩波电压U1、U2，加到电动机相绕组L上为电压差U1—U2，而相绕组中点的电压是(U1+U2)/2。
受控开关中两个功率开关的连接点连有钳位二极管D5、D6的一个极，其极性必须按图2示那样选择。D5和D6的另一个极连起来后接到公共的滤波电容裂相点H，裂相点的电平为母线直流电压VD的一半。输入电流i为正时注入，为负时流出。
表1列出了逆变电路中四个功率开关的通断组合，由于相绕组有电感，断开时会选择适当的二极管续流。表中“1”表示功率开关和二极管导通，“0”表示功率开关和二极管关断。第一项k为四个功率开关通断所形成的二进制代码。备注栏中指出，有的功率开关上电压已超过VD/2，属于不允许的组合。
仿照图1所示电路那样的零压续流斩波方式为甲，图3给出了甲的波形，功率开关S1和S2导通后同时关断，相电流经过二极管D1和D2续流，波形图上高电平代表“1”，低电平代表“0”。波形图中还画出了U1、U2等电压的波形，幅值为直流母线电压VD。
图4给出了另一种斩波方式乙的波形，斩波过程中靠近相绕组的两只功率开关S2和S3保持导通，而S1和S4同时接通或关断。关断时相电流经过钳位二极管D5和D6续流。结果U1-U2的波形与斩波方式甲一样，但U1和U2的波形却完全不同。
比较起来，功率开关及二极管的功耗方面，甲方式的分配比较均匀。但乙方式中，功率开关的通断控制比较简单，而且在二极管D5和D6续流时，U1和U2的输出电压保持在1/2×VD，然后在功率开关S1和S4导通时，分别跳变+(1/2×VD)和—(1/2×VD)。保证了功率开关可靠地工作，也不易产生过电压干扰。
在功率逆变电路换相或故障时，相绕组上要施加负的VD电压，让相电流迅速下降到零。这时候只要功率开关S2和S3关断，就能迫使相电流经过二极管D1、D2和D3、D4续流。但在关断S2和S3前，必须让S1和S4先行关断，如果S1不关断，S2就要承受VD电压，如果S4不关断，S3就要承受VD电压。本发明功率逆变电路，属三电平变换器，从施加到相绕组上电压V1-V2来看，适当选择四个功率开关的通断程序，完全可以得到跳变电压±VD的动态过程中，插入±1/2×VD电平，以免V1-V2电压变化过猛。
图5所示为本发明普通型功率电路实施例，功率逆变电路中续流二极管及整流电路中的整流管皆用二个二极管直接串联，未加钳位二极保护。如果有反相耐压合适的二极管，也可以改用单个二极管。
图5中画有限压放电路。限压放电电路中的受控开关由二只功率开关直接串联，其二极管钳位接法与半桥形式单相功率逆变电路中的负桥臂一样。
由于用了二极管来做钳位保护，应当尽量让电容裂相点电压保持在1/2×VD。为此，每相经过钳位二极管V5、V6取用的电流i的平均值应接近于零。如图5所示，使三个单相功率逆变电路合用电容裂点，有助于减少电容裂相点电压的脉动。
当功率电路是回馈型时，则图5所示电路中整流部分要改用图6所示三相桥式逆变电路，它由三个推拉桥臂构成，每个桥臂上的一对受控开关则由两个功率开关直接串联而成。整流时依靠功率内部包含的二极管，如果需要回馈电能，则利用功率开关进行换向和斩波控制，串在三相电网输入处的交流电抗器，可以把回馈的线电流滤平。
图6所示每个推拉桥臂中，处于上下对称位置的两个功率开关的通断互补，例如a相桥臂中的Sa1与Sa4，以及Sa2与Sa3。两个功率开关的串联连接点则也利用二极管钳位到直流电源滤波电容的裂相点。
表1
 
k S1 S2 S3 S4 D1D2 D5 D6 D3D4 U1 U2 U1-U2 i 备注
15 1 1 1 1 0 0 0 0 VD 0 VD 0
14 0 1 1 1 0 1 0 0 VD/2 0 VD/2 +
13 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 S2耐压不允许
11 1 1 0 1 0 0 0 1 VD VD 0 0 S3耐压不允许
7 1 1 1 0 0 0 1 0 VD VD/2 VD/2 -
12 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0
10 0 1 0 1 0 1 0 1 VD/2 VD -VD/2 + S3耐压不允许
6 0 1 1 0 0 1 1 0 VD/2 VD/2 0 0
9 1 0 0 1 1 0 0 1 0 VD VD 0 S2、S3耐压不允许
5 1 0 1 0 1 0 1 0 0 VD/2 -VD/2 - S2耐压不允许
3 1 1 0 0 0 0 0 1 VD VD 0 0
8 0 0 0 1 1 0 0 1 0 VD -VD 0 s3耐压不允许
2 0 1 0 0 0 1 0 1 VD/2 VD -VD/2 +
4 0 0 1 0 1 0 1 0 0 VD/2 -VD/2 -
1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 VD -VD 0 S2耐压不允许
0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 VD -VD 0
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (6)

1、一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路；包括一个三相整流电源及滤波电容，三个单相半桥形式的功率逆变电路和开关控制电路；其特征在于：每个功率逆变电路中的受控开关由两只低压功率开关直接串联而成，续流电路为两只二极管串联或者为单个高压二极管；滤波电容有一裂相点，通过电阻分压产生二分之一直流母线电压的电平，用二极管对功率电路中所有的功率开关进行钳位；一端接于直流电源正端的受控开关，其两个功率开关的串接处接于一只二极管的阴极，一端接于直流电源负端的受控开关，其两个功率开关的串接处接于另一只二极管的阴极，此两个二极管的另一极与滤波电容的裂相点相连。
2、根据权利要求1所述的一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路；其特征在于：受控开关导通后，通过开关控制电路控制对角线上的两个受控开关轮流关断，相电流经过与受控开关相串联的二极管续流，靠近直流母线的两个功率开关的关断时刻早于靠近相绕组的两个功率开关的关断，从而实现零压续流斩波。
3、根据权利要求1所述的一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路；其特征在于：靠近相绕组的两个功率开关保持导通，而同时关断靠近直流母线的两个功率开关，让相电流经过这一相的两个钳位二极管续流，从而实现零压续流斩波。
4、根据权利要求1所述的一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路；其特征在于：让同一相的四个功率开关全部关断，在相绕组上施加负的直流母线电压；控制时，靠近直流母线的两个功率开关最先关断，靠近相绕组的功率开关最后关断。
5、根据权利要求1所述的一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路；其特征在于：选择四个功率开关通电程序，使施加到相绕组的电压，在正负跳变直流母线电压的过程中插入短时的一半的正负直流母线电压，减少过电压的发生及产生的电磁干扰，另外平均起来要使电容裂相点输出的电流接近于零，减少裂相点上电压的脉动。
6、根据权利要求1所述的一种两只功率开关串联的3相开关磁阻电动机功率电路；其特征在于：整流电源为回馈型的三电平三相桥式逆变电路，其受控开关由两个功率开关直接串联而成，采用二极管钳位；整流时依靠功率开关内含的二极管，回馈电能时依靠功率开关进行换相和斩波控制，通过接在三相输入的交流电抗器把线电流滤平；每个推拉桥臂的四个功率开关中，处于上下对称位置的两对功率开关的通断互补，从而保证功率开关正常通断。
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