CN102916631B - T型五电平开关磁阻电机功率变换器 - Google Patents

Abstract

一种T型五电平开关磁阻电机功率变换器，包括相互串联的两只直流滤波电容器，两只直流滤波电容器与直流侧电压U_dc输出端并联，与发射极串联有续流二极管的一只上位电控开关和集电极串联有续流二极管的一只下位电控开关相并联，两只直流滤波电容器的中间点分别与电控开关和续流二极管相连接，电控开关通过正向续流二极管与续流二极管和电控开关的串联中间点相连接，续流二极管通过电控开关与续流二极管和电控开关的串联中间点相连接，上位电控开关的发射极与下位电控开关的集电极之间分别串联有三个电机绕组，每只电控开关的控制端与控制器相连，尤其适用于中小功率场合。其结构简单，可有效降低功率损耗，提高系统效率。

Description

T型五电平开关磁阻电机功率变换器

技术领域

本发明涉及一种电机功率变换器，尤其是一种适用于中小功率场合使用的T型五电平开关磁阻电机功率变换器。

背景技术

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor）调速系统是20世纪80年代发展起来的一种新型交流调速系统，以其构造简单，运行可靠，高性能等优良特性，成为现代交流调速系统中的一支强有力的新军，应用前景十分广阔。开关磁阻电机调速系统(SRD)由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和位置检测器等组成，其功率变换器是驱动开关磁阻电机的电路装置，因此，功率变换器效率的高低对整个系统的性能起着关键的作用。以往功率变换器电平数较少，从而造成功率变换器开关次数多，器件的损耗大，系统效率较低，可靠程度也不高，无法很好的满足实际生产要求。专利申请号为：200810023692.6公开的一种五电平开关磁阻电机功率变换器，主要由控制绕组通断电的电控开关、滤波电容、电动机三相绕组、续流二极管和控制器组成。三相绕组的进出线端接有控制其通断电的两只串联的上位和两只串联的下位电控开关，每路开关并联有蓄流二极管，所有控制开关通断的控制端都接到控制器输出端上。与传统功率变换器相比具有开关管耐压值小，输出波形谐波含量小，开关频率低，系统的工作电压高和转换效率高等特点。但是由于五电平变换器采用IGBT串联，总导通损耗较高，且存在箝位二极管，布局空间大，一般只适用于大功率场合（1MW以上），而在一些中小功率场合限制了它的使用。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种减少功率变换器开关次数、降低功率损耗、提高系统效率、适用于中小功率场合的T型五电平开关磁阻电机功率变换器。

为实现上述技术目的，本发明的T型五电平开关磁阻电机功率变换器，包括相互串联的两只直流滤波电容器，两只直流滤波电容器与直流侧电压 U_dc输出端并联，与发射极串联有续流二极管的一只上位电控开关和集电极串联有续流二极管的一只下位电控开关相并联，两只直流滤波电容器的中间点分别与电控开关和续流二极管相连接，电控开关通过正向续流二极管与续流二极管和电控开关的串联中间点相连接，续流二极管通过电控开关与续流二极管和电控开关的串联中间点相连接，上位电控开关的发射极与下位电控开关的的集电极之间分别串联有三个电机绕组，每只电控开关的控制端与控制器相连。

所述的电控开关为绝缘栅双极型晶体管，所述的控制器型号为TMS320F2812DSP控制板。

有益效果：由于采用了由电控开关Sa2、Sb2、Sc2、Sa3、Sb3、Sc3和续流二极管Da2、Db2、Dc2、Da3、Db3、Dc3组合实现的多电平技术，从而减少了工作时开关器件的开关次数，输出波形谐波含量小，因此降低了系统的损耗，提高了系统的工作效率；另外采用了由电控开关Sa1，Sb1，Sc1，Sa4，Sb4，Sc4和续流二极管Da1，Db1，Dc1，Da4，Db4，Dc4构成的T型拓扑结构，不存在箝位二极管，空间布局小，并且其上下半桥仅有一只电控开关和一只二极管，使其不管处于哪种电平工作状态，都相比原发明五电平拓扑结构具有更少的开关管导通损耗，具有更高的工作效率，所以特别适用于小中功率的场合。

附图说明

图1为本发明的五电平功率变换器的电路图。

图2为本发明的单相功率变换器与开关磁阻电机的连接结构示意图。

图3为本发明的五种电平的工作状态图。

图4为本发明的电机控制过程图。

图中：Sa1、Sa2、Sa3、Sa4：A相电控开关；

Da1、Da2、Da3、Da4：A相续流二极管；

Sb1、Sb2、Sb3、Sb4：B相电控开关；

Db1、Db2、Db3、Db4：B相续流二极管；

Sc1、Sc2、Sc3、Sc4：C相电控开关；

Dc1、Dc2、Dc3、Dc4：C相续流二极管；

La、Lb、Lc：A、B、C三相电机绕组；

C1、C2：直流滤波电流；

Udc：直流侧电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的说明：

如图1所示，本发明的T型五电平开关磁阻电机功率变换器包括相互串联的两只直流滤波电容器C1和直流滤波电容器C2，两只直流滤波电容器C1和直流滤波电容器C2与直流侧电压U_dc输出端并联，与发射极串联有续流二极管Da1，续流二极管Db1，续流二极管Dc1的一只上位电控开关Sa1、Sb1、Sc1和集电极串联有续流二极管Da4、Db4、Dc4的一只下位电控开关Sa4、Sb4、Sc4相并联，其中电控开关Sa1、Sb1、Sc1的集电极和续流二极管Da4、Db4、Dc4的负极分别与直流侧电压U_dc的正极相连接，续流二极管Da4、Db4、Dc4的正极与电控开关Sa4、Sb4、Sc4的集电极连接，续流二极管Da1、Db1、Dc1的正极和电控开关Sa4、Sb4、Sc4的发射极分别与直流侧电压U_dc的负极连接，两只直流滤波电容器C1、C2的中间点分别与电控开关Sa2、Sb2、Sc2的集电极和续流二极管Da3、Db3、Dc3的负极分别相连接，电控开关Sa2、Sb2、Sb2的发射极与续流二极管Da2、Db2、Dc2的正极相连接，续流二极管Da2、Db2、Dc2的负极与续流二极管Da1、Db1、Dc1和电控开关Sa1、Sb1、Sc1的串联中间点相连接，续流二极管Da3、Db3、Dc3正极与电控开关Sa3、Sb3、Sc3的发射极相连接，电控开关Sa3、Sb3、Sc3的的集电极与续流二极管Da4、Db4、Dc4和电控开关Sa4、Sb4、Sc4的串联中间点相连接，上位电控开关Sa1、Sb1、Sc1的发射极与下位电控开关的Sa4、Sb4、Sc4的集电极之间分别串联有三个电机绕组La、Lb、Lc，电控开关Sa1的发射极连接电机绕组La的A端，电控开关的Sa4的集电极连接电机绕组La的A’端，电控开关Sb1的发射极连接电机绕组Lb的B端，电控开关的Sb4的集电极连接电机绕组Lb的B’端，电控开关Sc1的发射极连接电机绕组Lc的C端，电控开关的Sc4的集电极连接电机绕组Lc的C’端，每只电控开关的控制端与控制器相连，所述的电控开关为绝缘栅双极型晶体管。

如图2所示，A1、A2、A3、A4四个极的绕组串联构成A相即图1中的电机绕组La，B1、B2、B3、B4四个极的绕组串联构成B相即图1中的电机绕组Lb，C1、C2、C3、C4四个极的绕组串联构成C相即图1中的电机绕组Lc。开关磁阻电机运行原理遵循磁阻最小原理──磁通总是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，只要以一定次序给定子的相绕组通电，电动机的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。

对每一相绕组通电，该功率变换器电路都具有5种工作状态，使绕组两端具有5种不同电压，以A相为例：

图3所示，状态2：电控开关Sa1，Sa4导通，绕组中电流流向如图3（a）所示，此时绕组两端承受的电压为2U。

状态1：电控开关Sa1，Sa3导通，绕组中电流流向如图3（b）所示，此时绕组两端承受的电压为U。

状态0：电控开关Sa4导通，绕组中电流流向如图3（c）所示，此时绕组两端承受的电压为0。

状态-1：电控开关Sa2导通，绕组中电流流向如图3（d）所示，此时绕组两端承受的电压为-U。

状态-2：电控开关全部关断，绕组中电流流向如图3（e）所示，电流通过续流二极管Da1，Da4续流，此时绕组两端承受的电压为-2U。

开关磁阻电机控制的具体控制过程，如图4所示，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%，是进入状态2，否进入状态1。

（2）在状态2中，A相的两个开关器件Sa1，Sa4全导通，即绕组处于2U电压状态，判断当前电流是否大于控制器给定电流，是进入状态0，否则继续保持状态2。

（3）在状态0中，A相的开关器件Sa4导通，即绕组处于0电压状态，判断当前电流是否小于控制器给定电流，是进入状态2，否则进入状态-2。

（4）在状态-2中，A相的开关器件全关断，即绕组处于-2U电压状态，判断当前电流是否小于控制器给定电流，是进入状态2，否则继续保持状态-2。

（5）在状态1中，A相的两个开关器件Sa1，Sa3全导通，即绕组处于U电压状态，判断当前电流是否大于控制器给定电流，是进入状态0，否则继续保持状态1。

（6）在状态0中，A相的开关器件Sa4导通，即绕组处于0电压状态，判断当前电流是否大于控制器给定电流，是进入状态-1，否则进入状态1。

在状态-1中，A相的开关器件Sa2导通，即绕组处于-U电压状态，判断当前电流是否大于控制器给定电流，是则继续保持状态-1，否进入状态1。

Claims (1)

1.一种T型五电平开关磁阻电机功率变换器，包括电控开关Sa1、Sb1、Sc1、续流二极管Da1、Db1、Dc1、续流二极管Da4、Db4、Dc4、电控开关Sa4、Sb4、Sc4和相互串联的两只直流滤波电容器C1、C2，两只直流滤波电容器C1、C2与直流侧电压U_dc输出端并联，其特征在于：所述两只直流滤波电容器C1、C2同时与发射极串联有续流二极管Da1、Db1、Dc1的一只上位电控开关Sa1、Sb1、Sc1和集电极串联有续流二极管Da4、Db4、Dc4的一只下位电控开关Sa4、Sb4、Sc4相并联，其中电控开关Sa1、Sb1、Sc1的集电极和续流二极管Da4、Db4、Dc4的负极分别与直流侧电压U_dc的正极相连接，续流二极管Da4、Db4、Dc4的正极与电控开关Sa4、Sb4、Sc4的集电极连接，续流二极管Da1、Db1、Dc1的正极和电控开关Sa4、Sb4、Sc4的发射极分别与直流侧电压U_dc的负极连接，两只直流滤波电容器C1、C2的中间点分别与电控开关Sa2、Sb2、Sc2和续流二极管Da3、Db3、Dc3相连接，电控开关Sa2、Sb2、Sb2通过正向续流二极管Da2、Db2、Dc2与续流二极管Da1、Db1、Dc1和电控开关Sa1、Sb1、Sc1的串联中间点相连接，续流二极管Da3、Db3、Dc3通过电控开关Sa3、Sb3、Sc3与续流二极管Da4、Db4、Dc4和电控开关Sa4、Sb4、Sc4的串联中间点相连接，续流二极管Da2、Db2、Dc2的负极与电控开关Sa3、Sb3、Sc3的集电极之间分别串联有三个电机绕组La、Lb、Lc，续流二极管Da2的负极连接电机绕组La的A端，电控开关的Sa3的集电极连接电机绕组La的A’端，续流二极管Db2的负极连接电机绕组Lb的B端，电控开关的Sb3的集电极连接电机绕组Lb的B’端，续流二极管Dc2的负极连接电机绕组Lc的C端，电控开关的Sc3的集电极连接电机绕组Lc的C’端，每只电控开关的控制端均与控制器相连；对每一相绕组通电，该功率变换器电路都具有5种工作状态，使绕组两端具有5种不同电压；所述的电控开关为绝缘栅双极型晶体管，所述的控制器型号为TMS320F2812DSP控制板；其中A相为：

状态2：电控开关Sa1，Sa4导通，此时绕组两端承受的电压为2U；

状态1：电控开关Sa1，Sa3导通，此时绕组两端承受的电压为U；

状态0：电控开关Sa4导通，此时绕组两端承受的电压为0；

状态-1：电控开关Sa2导通，此时绕组两端承受的电压为-U；

状态-2：电控开关全部关断，电流通过续流二极管Da1，Da4续流，此时绕组两端承受的电压为-2U；

（1）首先判断电机的当前转速是否大于额定转速的50%，是进入状态2，否进入状态1；

（2）在状态2中，A相的两个开关器件Sa1，Sa4全导通，即绕组处于2U电压状态，判断当前电流是否大于控制器给定电流，是进入状态0，否则继续保持状态2；

（3）在状态0中，A相的开关器件Sa4导通，即绕组处于0电压状态，判断当前电流是否小于控制器给定电流，是进入状态2，否则进入状态-2；

（4）在状态-2中，A相的开关器件全关断，即绕组处于-2U电压状态，判断当前电流是否小于控制器给定电流，是进入状态2，否则继续保持状态-2；

（5）在状态1中，A相的两个开关器件Sa1，Sa3全导通，即绕组处于U电压状态，判断当前电流是否大于控制器给定电流，是进入状态0，否则继续保持状态1；

（6）在状态0中，A相的开关器件Sa4导通，即绕组处于0电压状态，判断当前电流是否大于控制器给定电流，是进入状态-1，否则进入状态1；

在状态-1中，A相的开关器件Sa2导通，即绕组处于-U电压状态，判断当前电流是否大于控制器给定电流，是则继续保持状态-1，否进入状态1。