CN104579032B - 一种同时控制三台开关磁阻电机的功率拓扑结构 - Google Patents

一种同时控制三台开关磁阻电机的功率拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同时控制三台开关磁阻电机的功率拓扑结构，包括直流电源、三台三相开关磁阻电机、电源滤波电容和12个功率开关管；电源滤波电容并联连接在直流电源的两极，直流电源的正极同时连接1号功率开关管～6号功率开关管这六个功率开关管的集电极；直流电源的负极同时连接7号功率开关管～12号功率开关管这六个功率开关管的发射极。通过电机绕组的连接，利用开关通断控制三台开关磁阻电机，并能够切断闲置或故障的电机，解决了现有开关磁阻电机驱动功率结构复杂、成本高以及在某些场合下三台电机有闲置、功率变换器利用率不高、系统工作效率低等问题。

Description

一种同时控制三台开关磁阻电机的功率拓扑结构
技术领域
本发明涉及电机的制造及控制领域，具体涉及一种同时控制三台开关磁阻电机的功率拓扑结构。
背景技术
随着电力电子器件技术、微电子技术和自动控制技术的发展，尤其是稀土永磁材料出口限制所引起的价格上涨，开关磁阻电机的应用将越来越广泛。另一方面，在一些深空、深海、昼夜温差大的特殊作业环境下，永磁体的磁性能不稳定，不利于永磁电机在上述领域的应用。
而开关磁阻电机作为一种电励磁电机，其定转子均由普通硅钢片压叠制成双凸极结构，转子上既无永磁体也无绕组，定子上只有集中式绕组线圈，依据“磁阻最小”原理工作。开关磁阻电机制造简单、成本低、结构牢靠、体积小、重量轻、散热方便。在工业调速系统领域中已显示出强大的竞争力，在电动汽车、家用电器、纺织机械、电气传动等方面也有广阔的前景。
然而，限制开关磁阻电机调速系统进一步推广应用的一个重要技术瓶颈就是如图1所示，现有三相开关磁阻电机的不对称桥式功率变换器拓扑每相绕组采用两个主开关、两个缓流二极管，比普通异步电机功率变换器多了六个电力缓流二极管。因此，增加了开关磁阻电机功率变换器的复杂性和成本。此外，开关磁阻电机功率变换器尚无一个统一的标准，无法大规模生产，这些都大大增加了开关磁阻电机功率变换器的开发成本与硬件成本。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种同时控制三台开关磁阻电机的功率拓扑结构，通过开关通断控制三台开关磁阻电机，并能够切断闲置或故障的电机，解决了现有技术的不足。
技术方案：一种同时控制三台开关磁阻电机的功率拓扑结构，包括直流电源、三台三相开关磁阻电机、电源滤波电容和12个功率开关管；
三台三相开关磁阻电机包括1号电机、2号电机、3号电机、中性点(n1、n2)；
1号电机包括A1相绕组、B1相绕组、C1相绕组；2号电机包括A2相绕组、B2相绕组、C2相绕组、3号电机包括A3相绕组、B3相绕组、C3相绕组；
电源滤波电容并联连接在直流电源的两极，直流电源的正极同时连接1号功率开关管～6号功率开关管这六个功率开关管的集电极；直流电源的负极同时连接7号功率开关管～12号功率开关管这六个功率开关管的发射极。
进一步的，1号电机的A1相绕组的一端同时连接在1号功率开关管的发射极和7号功率开关管的集电极，A1相绕组的另一端同时连接在4号功率开关管的发射极和10号功率开关管的集电极；1号电机的B1相绕组的一端同时连接在2号功率开关管发射极和8号功率开关管的集电极，B1相绕组的另一端同时连接在5号功率开关管发射极和11号功率开关管的集电极；1号电机的C1相绕组的一端同时连接在3号功率开关管的发射极和9号功率开关管的集电极，C1相绕组的另一端同时连接在6号功率开关管的发射极和12号功率开关管的集电极；
进一步的，2号电机的A2相绕组一端同时连接在1号功率开关管的发射极和7号功率开关管的集电极，A2相绕组的另一端连接在1号中性点处；2号电机的B2相绕组一端同时连接在2号功率开关管的发射极和8号功率开关管的集电极，B2相绕组的另一端连接在1号中性点处，2号电机的C2相绕组一端同时连接在3号功率开关管的发射极和9号功率开关管的集电极，C2相绕组的另一端连接在1号中性点处；
进一步的，3号电机的A3相绕组一端同时连接在4号功率开关管的发射极和10号功率开关管的集电极，A3相绕组的另一端连接在2号中性点处；3号电机的B3相绕组一端同时连接在5号功率开关管的发射极和11号功率开关管的集电极，B3相绕组的另一端连接在2号中性点处；3号电机的C3相绕组一端同时连接在6号功率开关管的发射极和12号功率开关管的集电极，C3相绕组的另一端连接在2号中性点处。
有益效果：
(1)相比用三个传统开关磁阻电机功率变换器控制三台三相开关磁阻电机，本发明提出了一种可同时控制三台三相开关磁阻电机的功率拓扑结构，节省了18个电力续流二极管和6个功率开关管；
(2)本发明所提出的功率拓扑结构可通过市场上的智能功率模块搭建而成，智能功率模块电路已市场化、集成化，易于采购，成熟可靠，大大减少了开关磁阻电机功率变换器的成本，缩短了开关磁阻电机研发人员的产品研发周期；
(3)本发明简化了传统功率变换器的结构，大大减小了功率变换器的尺寸与器件个数；
(4)本发明电机采用双极性供电，同时依靠自感和互感变化工作，在任意时刻两相绕组同时通电，提高了开关磁阻电机的绕组利用率。
附图说明
图1是开关磁阻电机不对称桥式电路功率拓扑示意图；
图2是本发明的功率拓扑结构示意图；
图3是本发明在控制两台电机运行时的示意图；
图4是本发明在控制一台电机运行时的示意图；
图5是本发明的励磁电流的通电方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图2所示，本发明提供一种同时控制三台开关磁阻电机的功率拓扑结构，主要是两台三相桥式变换器控制三台三相开关磁阻电机功率拓扑结构，包括直流电源V，电源滤波电容CO、12个功率开关管S1-S12、三台三相开关磁阻电机1号电机SRM1、2号电机SRM2、3号电机SRM3。
1号电机SRM1包括A1相绕组、B1相绕组、C1相绕组；2号电机SRM2包括A2相绕组、B2相绕组、C2相绕组、3号电机SRM3包括A3相绕组、B3相绕组、C3相绕组；中性点n1、n2。
电源滤波电容CO并联连接在直流电源V的两极，直流电源V的正极同时连接1号功率开关管S1～6号功率开关管S6这六个功率开关管的集电极；直流电源V的负极同时连接7号功率开关管S7～12号功率开关管S12这六个功率开关管的发射极。
1号电机SRM1的A1相绕组的一端同时连接在1号功率开关管S1的发射极和7号功率开关管S7的集电极，A1相绕组的另一端同时连接在4号功率开关管S4的发射极和10号功率开关管S10的集电极；1号电机SRM1的B1相绕组的一端同时连接在2号功率开关管S2发射极和8号功率开关管S8的集电极，B1相绕组的另一端同时连接在5号功率开关管S5发射极和11号功率开关管S11的集电极；1号电机SRM1的C1相绕组的一端同时连接在3号功率开关管S3的发射极和9号功率开关管S9的集电极，C1相绕组的另一端同时连接在6号功率开关管S6的发射极和12号功率开关管S12的集电极。
2号电机SRM2的A2相绕组一端同时连接在1号功率开关管S1的发射极和7号功率开关管S7的集电极，A2相绕组的另一端连接在1号中性点n1处；2号电机SRM2的B2相绕组一端同时连接在2号功率开关管S2的发射极和8号功率开关管S8的集电极，B2相绕组的另一端连接在1号中性点n1处，2号电机SRM2的C2相绕组一端同时连接在3号功率开关管S3的发射极和9号功率开关管S9的集电极，C2相绕组的另一端连接在1号中性点n1处。
3号电机SRM3的A3相绕组一端同时连接在4号功率开关管S4的发射极和10号功率开关管S10的集电极，A3相绕组的另一端连接在2号中性点n2处；3号电机SRM3的B3相绕组一端同时连接在5号功率开关管S5的发射极和11号功率开关管S11的集电极，B3相绕组的另一端连接在2号中性点n2处；3号电机SRM3的C3相绕组一端同时连接在6号功率开关管S6的发射极和12号功率开关管S12的集电极，C3相绕组的另一端连接在2号中性点n2处。
三相开关磁阻电机双极性供电时电机有两相绕组通电且电流极性相反，每两相绕组轮流进行励磁，励磁电流波形如图5所示，绕组励磁的顺序为：A+B->B-C+>C+A->A-B+>B+C->C-A+…。
(1)当需要三台电机同时工作时：
电机连接如图2所示：当功率开关管S1、S8、S5、S10同时导通时，开关磁阻1号电机SRM1的A1、B1相，2号电机SRM2的A2相、B2相同时工作，电机工作在A+B-励磁状态，开关磁阻3号电机SRM3的A3、B3相同时工作，电机工作在A-B+励磁状态；
当功率开关管S8、S3、S5、S12导通时，开关磁阻1号电机SRM1的B1相、C1相，SRM2的B2相、C2相同时工作，电机工作在B-C+励磁状态，开关磁阻3号电机SRM3的B3相、C3相同时工作，电机工作在B+C-励磁状态；
当功率开关管S3、S7、S12、S4导通时，开关磁阻1号电机SRM1的C1相、A1相，SRM2的C2相、A2相同时工作，电机工作在C+A-励磁状态，SRM3的C3相、A3相同时工作，电机工作在C-A+励磁状态；
当功率开关管S7、S2、S4、S11保持导通时，开关磁阻1号电机SRM1A1相、B1相，SRM2的A2相、B2相同时工作，电机工作在A-B+励磁状态，开关磁阻3号电机SRM3的A3相、B3相同时工作，电机工作在B+C-励磁状态；
当功率开关管S2、S9、S11、S6导通时，开关磁阻1号电机SRM1的B1相、C1相，SRM2的B2相、C2相同时工作，电机工作在B+C-励磁状态，开关磁阻3号电机SRM3的B3相、C3相同时工作，电机工作在B-C+励磁状态；
当功率开关管S1、S9、S6、S10导通时，开关磁阻1号电机SRM1的C1相、A1相，开关磁阻2号电机SRM2的C2相、A2相同时工作，电机工作在C-A+励磁状态；开关磁阻3号电机SRM3的C3相、A3相同时工作，电机工作在C+A-励磁状态。
(2)当需要两台电机同时工作时：
切除1号电机SRM1，如图3所示，当功率开关管S1、S8、S5、S10同时导通时，开关磁阻2号电机SRM2的A2相、B2相同时工作，电机工作在A+B-励磁状态，开关磁阻3号电机SRM3的A3相、B3相同时工作，电机工作在A-B+励磁状态；
功率开关管S8、S3、S5、S12导通时，开关磁阻2号电机SRM2的B2相、C2相同时工作，电机工作在B-C+励磁状态，开关磁阻3号电机SRM3的B3相、C3相同时工作，电机工作在B+C-励磁状态；
当开关管S3、S7、S12、S4导通时，开关磁阻2号电机SRM2的C2相、A2相同时工作，电机工作在C+A-励磁状态，开关磁阻3号电机SRM3的C3相、A3相同时工作，电机工作在C-A+励磁状态；
当开关管S7、S2、S4、S11保持导通时，开关磁阻2号电机SRM2的A2相、B2相同时工作，电机工作在A-B+励磁状态，开关磁阻3号电机SRM3的A3相、B3相同时工作，电机工作在B+C-励磁状态；
当开关管S2、S9、S11、S6导通时，开关磁阻2号电机SRM2的B2相、C2相同时工作，电机工作在B+C-励磁状态，开关磁阻3号电机SRM3的B3相、C3相同时工作，电机工作在B-C+励磁状态；
当开关管S1、S9、S6、S10导通时，开关磁阻2号电机SRM2的C2相、A2相同时工作，电机工作在C-A+励磁状态，开关磁阻3号电机SRM3的C3相、A3相同时工作，电机工作在C+A-励磁状态。
(3)当需要一台电机工作时：
切除开关磁阻2号电机SRM2和3号电机SRM3，如图4所示：当功率开关管S1、S8、S5、S10同时导通时，开关磁阻1号电机SRM1的A1相、B1相同时工作，电机工作在A+B-励磁状态；
当功率开关管S8、S3、S5、S12导通时，开关磁阻1号电机SRM1的B1相、C1相同时工作，电机工作在B-C+励磁状态；
当功率开关管S3、S7、S12、S4导通时，开关磁阻1号电机SRM1的C1相、A1相同时工作，电机工作在C+A-励磁状态；
当开关管S7、S2、S4、S11保持导通时，开关磁阻1号电机SRM1的A1相、B1相同时工作，电机工作在A-B+励磁状态；
当功率开关管S2、S9、S11、S6导通时，开关磁阻1号电机SRM1的B1相、C1相同时工作，电机工作在B+C-励磁状态；
当功率开关管S1、S9、S6、S10导通时，开关磁阻1号电机SRM1的C1相、A1相同时工作，电机工作在C-A+励磁状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种同时控制三台开关磁阻电机的功率拓扑结构，包括直流电源（V）；其特征在于：包括三台三相开关磁阻电机、电源滤波电容（CO）和12个功率开关管（S1-S12）；
所述三台三相开关磁阻电机包括1号电机（SRM1）、2号电机（SRM2）、3号电机（SRM3）、中性点（n1、n2）；
1号电机（SRM1）包括A1相绕组、B1相绕组、C1相绕组；2号电机（SRM2）包括A2相绕组、B2相绕组、C2相绕组、3号电机（SRM3）包括A3相绕组、B3相绕组、C3相绕组；
电源滤波电容（CO）并联连接在直流电源（V）的两极，直流电源（V）的正极同时连接1号功率开关管（S1）~6号功率开关管（S6）这六个功率开关管的集电极；直流电源（V）的负极同时连接7号功率开关管（S7）~12号功率开关管（S12）这六个功率开关管的发射极；
所述1号电机（SRM1）的A1相绕组的一端同时连接在1号功率开关管（S1）的发射极和7号功率开关管（S7）的集电极，A1相绕组的另一端同时连接在4号功率开关管（S4）的发射极和10号功率开关管（S10）的集电极；1号电机（SRM1）的B1相绕组的一端同时连接在2号功率开关管（S2）发射极和8号功率开关管（S8）的集电极，B1相绕组的另一端同时连接在5号功率开关管（S5）发射极和11号功率开关管（S11）的集电极；1号电机（SRM1）的C1相绕组的一端同时连接在3号功率开关管（S3）的发射极和9号功率开关管（S9）的集电极， C1相绕组的另一端同时连接在6号功率开关管（S6）的发射极和12号功率开关管（S12）的集电极；
所述2号电机（SRM2）的A2相绕组一端同时连接在1号功率开关管（S1）的发射极和7号功率开关管（S7）的集电极，A2相绕组的另一端连接在1号中性点（n1）处；2号电机（SRM2）的B2相绕组一端同时连接在2号功率开关管（S2）的发射极和8号功率开关管（S8）的集电极，B2相绕组的另一端连接在1号中性点（n1）处，2号电机（SRM2）的C2相绕组一端同时连接在3号功率开关管（S3）的发射极和9号功率开关管（S9）的集电极， C2相绕组的另一端连接在1号中性点（n1）处；
所述3号电机（SRM3）的A3相绕组一端同时连接在4号功率开关管（S4）的发射极和10号功率开关管（S10）的集电极，A3相绕组的另一端连接在2号中性点（n2）处；3号电机（SRM3）的B3相绕组一端同时连接在5号功率开关管（S5）的发射极和11号功率开关管（S11）的集电极，B3相绕组的另一端连接在2号中性点（n2）处；3号电机（SRM3）的C3相绕组一端同时连接在6号功率开关管（S6）的发射极和12号功率开关管（S12）的集电极，C3相绕组的另一端连接在2号中性点（n2）处。
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