CN103501127B - 晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路 - Google Patents
晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路,包括三相整流模块,其输入端与三相电网相连,输出端输出直流电;功率变换电路,其输入端与三相整流模块的输出端相连,输出端与开关磁阻电机相连;位置传感器,其安装在开关磁阻电机定子上,输出端与主控单元相连;脉冲产生电路,其输入端与主控单元相连,输出端与三相整流模块相连;功率触发与继电保护电路,其输入端与主控单元相连,输出端与功率变换电路相连。本发明根据位置传感器采集的信号,经单片机分析处理后,通过功率触发与继电保护电路产生两路相位互补的脉冲来触发晶闸管的导通和换相MOS管的通断,实现晶闸管的强迫换相,从而解决了晶闸管换相不可靠的技术难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率变换电路,特别涉及一种晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路。
背景技术
开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor:SRM)是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统,是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术产品。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点:结构简单、低成本、高效率、优良的调速性能和灵活的可控性。目前,开关磁阻电机已广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。
高电压、大电流一直是机电控制领域的难题,由于晶闸管具有硅整流器件的特性:能在高压、大电流条件下工作,体积小;以小功率控制大电流,功率放大倍数高达几十万倍;反应速度快,在微秒级内开通、关断;无触点运行,无火花、无噪声;效率高,成本低且其工作过程可以控制,因此被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频调速运动控制系统中。快速晶闸管的特点是:开通时间和关断时间短,开关损耗小,能承受较高的电流上升率和电压上升率,因此它可以在一般晶闸管不能胜任的较高频率的场合工作。例如,一般快速晶闸管开通时间减少到1-2微秒,关断时间也只需数微秒,电流上升率可达数百安/微秒,所以可以工作在数十或数百千周/秒的频率范围。而晶闸管能否可靠的开通和关断,关系到开关磁阻电机能否正常的运行。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种能够高压大电流SRM系统中晶闸管快速换相并且可靠、稳定性好的晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路。
本发明解决上述问题的技术方案是:一种晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路,包括用于将交流电转换为直流电的三相整流模块,其输入端与三相电网相连,输出端输出直流电;用于实现开关磁阻电机关断和开通的功率变换电路,其输入端与三相整流模块的输出端相连,输出端与开关磁阻电机相连;用于获取开关磁阻电机的速度和角位移参数的位置传感器,其安装在开关磁阻电机定子上,输出端与主控单元相连,将采集到的速度和角位移参数信号送入主控单元进行处理;用于控制三相整流模块输出电压的脉冲产生电路,其输入端与主控单元相连,输出端与三相整流模块相连;用于功率变换电路中触发晶闸管导通和MOS管关断的功率触发与继电保护电路,其输入端与主控单元相连,输出端与功率变换电路相连,所述开关磁阻电机的每相定子绕组均与一晶闸管相连,定子绕组与其相对应的晶闸管相连后跨接在直流母线的两端,通过触发晶闸管门极的导通,建立开关磁阻电机绕组电流通路;每相定子绕组均反并联一个续流二极管,所述开关磁阻电机的每相定子绕组均连接有一强迫换相电路,每个强迫换相电路均包括MOS管、充电电阻、换相电容和换相电源,其中MOS管的栅极通过一电阻与其源极相连,充电电阻与MOS管的漏极相连,充电电阻与MOS管串接后跨接在换相电源两端,形成换相电流通路,换相电容的一端与定子绕组相连,另一端与MOS管的漏极相连。
所述晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路还包括滤波电路,所述滤波电路位于三相整流模块与功率变换电路之间,用于滤去整流输出电压中的纹波。
所述滤波电路由第一电容器和第二电容器串接构成,第一电容器和第二电容器串接后并接在直流母线的两端,第一电容器并接有第一电阻,第二电容器并接有第二电阻。
所述晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路还包括用于检测三相整流模块输出电压的电压传感器,电压传感器并联在直流母线的两端,其输出端与主控单元相连,将采集到的电压信号送入主控单元进行处理。
所述晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路还包括用于监测母线电流的电流传感器,电流传感器串接在直流母线上,其输出端与主控单元相连,将采集到的电流信号送入主控单元进行处理。
所述晶闸管为风冷或水冷方式的快速晶闸管,二极管为风冷或水冷方式的快速二极管。
所述MOS管为耐高压N沟道场效应管。
本发明的有益效果在于:本发明根据位置传感器采集的信号,经单片机分析处理后,通过功率触发与继电保护电路产生两路相位互补的脉冲来触发晶闸管的导通和换相MOS管的通断,实现晶闸管的强迫换相,从而解决了高压大电流SRM系统中晶闸管换相不可靠的技术难题。
附图说明
图1为本发明的系统框图。
图2为本发明的脉冲产生电路原理图。
图3为本发明的换相电容充电电路原理图。
图4为本发明的换相电容放电电路原理图。
图5为本发明的功率变换电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示,本发明包括:三相整流模块101、滤波电路102、霍尔电流传感器(HA)103、霍尔电压传感器(HV)104、功率变换电路105、开关磁阻电机(SRM)106、TC787脉冲触发电路107、MCU主控单元108、功率触发与继电保护电路109、位置传感器110。
其中,三相整流模块101用于将交流电转换为直流电,其输入端与三相电网相连,输出端输出直流电;滤波电路102位于三相整流模块101与功率变换电路105之间,用于滤去整流输出电压中的纹波;功率变换电路105用于实现开关磁阻电机(SRM)106前一相的关断和下一相的开通,其输入端与滤波电路102的输出端相连,输出端与开关磁阻电机(SRM)106相连;用于功率变换电路中触发晶闸管导通和MOS管关断的功率触发与继电保护电路,其输入端与主控单元相连,输出端与功率变换电路相连。
TC787脉冲产生电路107用于控制三相整流模块101输出电压,其输入端与MCU主控单元108相连,输出端与三相整流模块101相连;三相整流模块101的输出电压由TC787脉冲产生电路107控制,当它与MCU主控单元108相连的控制信号从0-15V变化时,控制角可在0~180°范围内连续同步改变,整流电压可以从0V到全压范围内连续调压;整流输出电压经过滤波电路102后,可获得比较稳定的直流电压给开关磁阻电机(SRM)106供电。
开关磁阻电机106(SRM,SwitchedReluctanceMotor)为三相SRM,具有结构简单、低成本、高效节能、可控性能好、控制精度高的优点,同时具有运行平稳、振动小、噪声低等优点,所以将其应用于晶闸管强迫换相开关磁阻电机系统中,可以实现调速范围宽,运行容量大。
位置传感器110,安装在开关磁阻电机(SRM)106定子上,与MCU主控单元108相连,用于获取开关磁阻电机(SRM)106的速度和角位移等参数;图1中的霍尔电流传感器(HA)103,它串接在直流母线上,输出端连接MCU主控单元108的AD口,用于实时监测母线电流,当系统异常时,可以切断控制回路的触发脉冲,进行过流保护;图1中的霍尔电压传感器(HV)104,它并联在母线的两端,用于检测三相整流模块101输出电压的值,该电压传感器(HV)104的输出与单片机的AD口相连,经过尺度变换换算成实际电压值,根据控制的需要,可以对开关磁阻电机(SRM)106进行调压调速。
图1中的功率触发和继电保护电路109,用于产生两路相位互补的准矩形波,一路用于触发晶闸管的导通,另一路用于关断辅助换相MOS管,具体原理会在图2中详细介绍。
图2示出了本发明脉冲产生电路原理图。如图2所示,当开关磁阻电机(SRM)106的位置信号到来时,MCU主控单元108检测到该上升沿后,控制端子U输出高电平,这时Q15管导接地,光隔OP1内的发光二极管导通,这时光隔OP1的后级CE导通,Q13的基极为高电平而导通,GA输出为高电平用于触发快速晶闸管的导通,而Q19管因U为高电平而导通接地,这时Q21管基极为低电平而截止,光隔OP3内的发光二极管不导通,这时光隔OP3的后级CE不导通,Q17的基极为低电平而截止,bA输出低电平用于关断强迫换相MOS管;当开关磁阻电机(SRM)106的位置信号未到来时,MCU主控单元108检测到该下降沿后,控制端子U输出低电平,这时Q15管因基极为低电平而截止,光隔OP1内的发光二极管不导通,这时光隔OP1的后级CE不导通,Q13的基极为低电平而截止,GA输出为低,但晶闸管为半控性器件,只有当流过晶闸管的电流低于维持电流时,晶闸管才能截止,因此需配合辅助换相MOS管才能使晶闸管可靠地截止,而Q19管因U为低电平而截止,这时Q21管基极为高电平而导通接地,光隔OP3内的发光二极管导通,这时光隔OP3的后级CE导通,Q17的基极为高电平而导通,bA输出高电平用于触发强迫换相MOS管的导通。至此,介绍了A相晶闸管和辅助换相MOS管触发脉冲的产生机制,B、C相晶闸管和辅助换相MOS管触发脉冲的产生机制跟A相一样。
晶闸管只有导通和关断两种工作状态,所以它具有开关特性,这种特性需要满足一定的条件才能相互转化:从关断到导通,阳极电位高于阴极电位且门极具有足够的正向电压或电流;维持导通,阳极电位高于阴极电位且阳极电流大于维持电流;从导通到关断,阳极电位低于阴极电位或阳极电流小于维持电流。
图3示出了本发明的换相电容充电电路原理图。如图3所示,当快速晶闸管KA导通,MOS管TA截止时,换相电容CA充电极性右正左负,I1是换相电容充电电流路径。
图4示出了本发明的换相电容放电电路原理图。如图4所示,KA需要换相(由导通转为截止)时,关闭晶闸管触发脉冲,触发MOS管TA而导通,换相电容CA原充电电压反极性加在晶闸管KA上而关断,I2是换相电容CA的放电路径。
图5示出了本发明的功率变换电路原理图。图中包括三相整流模块101、滤波电路102、A相功率变换电路、A相强迫换相电路、B相功率变换电路、B相强迫换相电路、C相功率变换电路和C相强迫换相电路。所述滤波电路102由第一电容器C1和第二电容器C2串接构成,第一电容器C1和第二电容器C2串接后并接在直流母线的两端,第一电容器C1并接有第一电阻R1,第二电容器C2并接有第二电阻R2;开关磁阻电机(SRM)106的每相定子绕组均与一晶闸管相连,定子绕组与其相对应的晶闸管相连后跨接在直流母线的两端,通过触发晶闸管门极的导通,建立开关磁阻电机绕组电流通路;每相定子绕组均反并联一个续流二极管,当该相关断时,电流通过二极管进行续流;开关磁阻电机(SRM)106的每相定子绕组均连接有一强迫换相电路,每相强迫换相电路均包括MOS管、充电电阻、换相电容和换相电源,其中MOS管的栅极通过一电阻与其源极相连,充电电阻与MOS管的漏极相连,充电电阻与MOS管串接后跨接在换相电源两端,形成换相电流通路,换相电容的一端与定子绕组相连,另一端与MOS管的漏极相连;所述晶闸管为风冷或水冷方式的快速晶闸管,二极管为风冷或水冷方式的快速二极管;所述MOS管为耐高压N沟道场效应管。
由于图3,图4已详细介绍了晶闸管导通与关断过程,下面以开关磁阻电机(SRM)106A相为例,详细介绍其SRM导通与辅助换相的过程。如图5所示,当三相整流桥模块101的输出直流电压DC+,DC-一定时,开关磁阻电机(SRM)106的A相绕组与快速晶闸管KA串联跨接在直流母线两端,与A相绕组反极性并联的是一个续流二极管,由此形成A相功率变换电路,而A相强迫换相电路则由换相电容CA、充电电阻RA、强迫换相MOS管TA及换相专用直流稳压电源VCC_S组成。据图2分析可知,当位置信号到来时,GA信号输出高电平,且触发电流约为150mA,该信号加至晶闸管KA的门极时,满足晶闸管从关断到导通的条件,阳极电位高于阴极电位且门极具有足够的正向电压或电流(本发明选用的快速晶闸管的门极触发电流约为100mA),于是晶闸管触发导通,同时,bA信号输出低电平,MOS管TA的栅极和源极为低电平,故MOS不导通。由于晶闸管的导通接地,电容CA的左侧为1V左右的管压降,电容CA的右侧与电阻RA相连,此时辅助电源VCC_S通过充电电阻RA给换相电容CA充电,为强迫换相做准备;当位置信号下降沿到来时,GA信号输出低电平,但晶闸管的AK之间阳极电位高于阴极电位且阳极电流大于维持电流,故晶闸管处于维持导通状态,在此同时bA信号输出高电平,MOS管TA的栅极和源极为高电平,故MOS导通,此时换向电容在上阶段积蓄的电能直接接在晶闸管的两端,理论上只要上阶段积蓄的电压高于晶闸管的管压降(约1V)且该反向电压使得晶闸管阳极电流低于维持电流,晶闸管就能截止。实际上由于“反电流效应”,即所谓的“载流子积蓄效应”的存在,电容CA积蓄的电能必须足够大才能使晶闸管关断。实验表明:时间常数τ=RA.CA必须取值适当,如果过大,电容CA充电时间长,没有足够的反向电压加在晶闸管上;如果太小,虽然电容CA充电速度快,但是没有足够的能量使晶闸管的阳极电流低于维持电流,从而使晶闸管关断。
本发明根据位置传感器采集的信号,经单片机分析处理后,通过功率触发与继电保护电路产生两路相位互补的脉冲来触发晶闸管的导通和换相MOS管的通断,实现晶闸管的强迫换相,从而解决了高压大电流SRM系统中晶闸管换相不可靠的技术难题。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。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 (7)
1.一种晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路,其特征在于:包括用于将交流电转换为直流电的三相整流模块,其输入端与三相电网相连,输出端输出直流电;用于实现开关磁阻电机关断和开通的功率变换电路,其输入端与三相整流模块的输出端相连,输出端与开关磁阻电机相连;用于获取开关磁阻电机的速度和角位移参数的位置传感器,其安装在开关磁阻电机定子上,输出端与主控单元相连,将采集到的速度和角位移参数信号送入主控单元进行处理;用于控制三相整流模块输出电压的脉冲产生电路,其输入端与主控单元相连,输出端与三相整流模块相连;用于功率变换电路中触发晶闸管导通和MOS管关断的功率触发与继电保护电路,其输入端与主控单元相连,输出端与功率变换电路相连,所述开关磁阻电机的每相定子绕组均与一晶闸管相连,定子绕组与其相对应的晶闸管相连后跨接在直流母线的两端,通过触发晶闸管门极的导通,建立开关磁阻电机绕组电流通路;每相定子绕组均反并联一个续流二极管,所述开关磁阻电机的每相定子绕组均连接有一强迫换相电路,每个强迫换相电路均包括MOS管、充电电阻、换相电容和换相电源,其中MOS管的栅极通过一电阻与其源极相连,充电电阻与MOS管的漏极相连,充电电阻与MOS管串接后跨接在换相电源两端,形成换相电流通路,换相电容的一端与定子绕组相连,另一端与MOS管的漏极相连。
2.如权利要求1所述的晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路,其特征在于:还包括滤波电路,所述滤波电路位于三相整流模块与功率变换电路之间,用于滤去整流输出电压中的纹波。
3.如权利要求2所述的晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路,其特征在于:所述滤波电路由第一电容器和第二电容器串接构成,第一电容器和第二电容器串接后并接在直流母线的两端,第一电容器并接有第一电阻,第二电容器并接有第二电阻。
4.如权利要求2所述的晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路,其特征在于:还包括用于检测三相整流模块输出电压的电压传感器,电压传感器并联在直流母线的两端,其输出端与主控单元相连,将采集到的电压信号送入主控单元进行处理。
5.如权利要求2所述的晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路,其特征在于:还包括用于监测母线电流的电流传感器,电流传感器串接在直流母线上,其输出端与主控单元相连,将采集到的电流信号送入主控单元进行处理。
6.如权利要求2所述的晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路,其特征在于:所述晶闸管为风冷或水冷方式的快速晶闸管,二极管为风冷或水冷方式的快速二极管。
7.如权利要求2所述的晶闸管强迫换相开关磁阻电机功率变换电路,其特征在于:所述MOS管为耐高压N沟道场效应管。
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