CN102064755B - 应用于高速电机的一种控制策略 - Google Patents

Abstract

在高速电机的控制方式中，传统的三相桥式逆变电路，开关频率高，损耗大，器件容易发生故障。本专利提出一种优化的高速电机控制策略，解决了高开关频率的损耗问题，提高了系统效率及可靠性。其电路特征如下：在常规电机的三相逆变电路之前加斩波管和续流管。斩波管选用高开关频率的功率开关管，通过对其高频斩波，实现电机转速控制；续流管采用反向恢复时间短的二极管，实现续流。控制方法上，功率管采用高频调制，三相电路的各功率管开通区间均为120°电角度，每360°电角度开关一次，续流状态实施换相。

Description

应用于高速电机的一种控制策略

技术领域

本发明涉及一种高速电机的控制策略，属于电机控制技术。

背景技术

随着军工及民用对高速电机的需求，高速电机已成为国内外电工领域的研究热点之一。高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机，其主要特点为转速高，体积小，功率密度大，在许多领域得到广泛应用，如高速磨床、高速陀螺仪、高速飞轮储能系统、高速离心压缩机等等。

上世纪末以来，英美等发达国家都开展了对高速电机的研究，美国麻省理工学院电磁和电子系统实验室研究的5MW高速感应发电机；英国Turbo Genset公司推出的以1.2MW高速永磁发电机为核心的移动电站。美国Calnetix公司开发的舰用2MW高速永磁发电机。近些年，国内对高速电机的研究也在不断发展，在小功率的发电机或电动机上取得了一定的研究成果，天津电力公司技术中心与浙江大学电气工程学院研制了2.3KW，15万r/min的超高速永磁无刷直流电机样机及其控制系统。

目前作为高速电机的代表之一并已被大量应用在高速电机领域的Halbach电机，是基于美国学者Klaus Halbach提出的Halbach列设计思想而产生的。英国Sheffield大学、美国Ohio state大学、日本的大阪省大学、瑞典的苏黎世大学等国外高校都对Halbach电机做了深入的研究。国内的浙江大学、南京航空航空航天大学等高校对Halbach电机也进行了研究，其中05年南京航空航天大学的严仰光教授等提出了一种高气隙磁密和高功率密度的新结构高速电机-Halbach双凸极电机。

目前常规电机的控制策略为，电动机运行时，输入直流电，经三相桥式逆变电路工作；发电机运行时，三相绕组经二极管整流输出直流电。电机的转速、转矩主要是通过对三相逆变电路中的开关管高频调制，从而调节加在电机绕组上的电流来实现，其控制策略主要分为双斩调制方式、单斩调制方式、轮换单斩调制方式。但是高速电机工作在高速场合，其相应的开关管的工作频率高，损耗大。高频调制方式下的续流阶段，电流是通过功率开关管的体二极管或集成二极管实现的，损耗大，通常的功率管体二极管存在反向恢复时间较长的缺点。

本专利提出了一种电机控制的拓扑结构——直流输入端后接高频功率斩波管和续流二极管，再通过三相桥式逆变电路与绕组连接，续流二级管采用反向恢复时间短的二极管(例如低压应用场合采用肖特基二极管)。它不但继承了高频调制转速控制原有的优点，而且避免了体二极管的续流模态，利用续流二极管的反向恢复快的优点，减小了损耗，提高了效率，优化了控制。

发明内容

本发明旨在传统的三相电机控制的基础上，结合损耗及可靠性因素，提出了一种新型的三相电机控制策略，用以解决高速电机在高速运行情况下，高开关频率的损耗等问题。

该控制方式主要特征在于：采用附加功率管及二极管的结构。通过高频调制控制附加的功率开关管实现对电机转速的控制，利用附加续流二极管参与电机绕组的续流。三相逆变电路中的开关管采用120°导通方式工作，并在续流状态下，对三相绕组进行换相。控制电路的组合结构如下：直流输入，滤波电容，功率开关管，二极管，三相逆变电路，电机绕组。

本专利采用的三相逆变电路附加功率管及二极管的组合电路，实现对电机的控制，其优点是：

(1)继承了传统高频调制控制电机转速的优势，并由传统的对三个(单斩模式)功率管的高频调制简化为对主电路中一个功率管的高频调制控制。

(2)续流状态由附加的具有短恢复时间特点的二极管实现，实现了功率电路的能量反馈，减小了高频状态下二极管的损耗。

(3)续流状态进行换相，实现了零电压开关，减小了损耗。

附图说明

图1是附加功率管及二极管的三相电机控制电路图。

图2为控制电路中功率开关管的触发信号

图1——图2的主要符号名称：(1)U_in——输入直流电压。(2)C——滤波电容。(3)Q——附加的高频功率开关管。(4)D——附加的续流二极管。(5)Q₁-Q₆——分别为三相桥式逆变电路的功率开关管。(6)D₁-D₆——功率管的体内二极管或集成二极管。

具体实施方式

本专利的电路拓扑如图1所示，是在传统的三相逆变控制电路的基础上，增加了功率管及二极管结构，其连接方式是在降压式电路的基础上减少了电感器件。开关管的控制方式上，各功率管的触发信号如图2所示。

具体的主电路拓扑如图1所示。主体上由直流输入，功率开关管和续流二极管，三相逆变电路，三相电机绕组，输入滤波电容。其连接方式为：开关管Q的漏极与输入直流电源U_in的正输入端相连，栅极输入为高频调制信号。源极与三相逆变电路的正输入端相连。续流二级管D的阴极与功率管源极相连，二极管D阳极与输入直流电源U_in的负输入端相连。主电路采用常规电机控制策略与三相绕组相连，功率管Q₁漏极与功率管Q源极相连，功率管Q₁源极与功率管Q₂漏极相连组成串联电路，功率管Q₂源极与直流输入负输入端相连。同理，功率管Q₃与Q₄，Q₅与Q₆组成串联方式，并联于续流二极管D的两端。

各功率管触发控制信号如图2所示。工作方式：高频调制控制功率管Q，三相逆变电路中的各开关管开通区间为120°电角度，每360°电角度开关一次。续流状态通过二极管D实现，且三相绕组间换相选择续流工作状态进行。具体工作次序取一个工作周期360°：0°-60°，Q₁与Q₄持续导通，当Q管导通时，直流电源U_in经Q-Q₁-Q₄工作；当Q管关断时，电路通过Q₁-D-Q₄续流工作。60°-120°，首先在Q管关断的续流状态进行换相，关闭Q₄管，开通Q₆管，Q管导通，U_in经Q-Q₁-Q₆工作；Q管关断，电路通过Q₁-D-Q₆续流工作。其余功率管导通方式依次是：120°-180°，Q_on：Q-Q₃-Q₆，续流：Q₃-D-Q₆；180°-240°，Q_on：Q-Q₃-Q₂，续流：Q₃-D-Q₂；240°-300°，Q_on：Q-Q₅-Q₂，续流：Q₅-D-Q₂；300°-360°，Q_on：Q-Q₅-Q₄，续流：Q₅-D-Q₄。

当控制电路如图1、图2工作时，实现了将常规的对三个或者六个功率管的高频斩波简化为对一个功率管的斩波控制，利用反向恢复时间短的二级管来进行续流，解决了体二极管或集成二极管的反向恢复时间长的问题，并在续流阶段实现换相，减小了电路的开关损耗，优化了控制电路的工作性能。

Claims (1)

1.一种用于高速电机的电路，其特征在于，三相桥式逆变电路前加斩波管，反向恢复时间短的续流二极管；斩波管使用高频调制控制，三相桥式逆变电路中功率开关管导通区间为120°电角度，每360°电角度开关一次，在续流二极管续流状态，即斩波管关断区间内实施换向，实现三相桥式逆变电路零电压开关。

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