CN105743375B - 一种开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构，在传统的不对称功率变换电路与直流电源之间增加升压电路部分，包括：电容C1、升压电容C2、反并联的开关管T1和二极管D1、反并联的开关管T3和二极管D3、由开关管T2和二极管D21、D22、D23、D24构成的双向开关。通过控制功率拓扑中开关管的导通与关断，可使开关磁阻电机在快速励磁(+2)、快速退磁(‑2)、正常励磁(+1)、正常退磁(‑1)和续流(0)五种状态下切换运行。本发明实现了开关磁阻电机的快速励磁和快速退磁，并解决了电机运行中励磁电流上升、下降缓慢、系统效率和动态性能低等问题，是一种具有高鲁棒性、高可靠性、智能化的结构，具有巨大的应用前景。

Description

一种开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种电机的功率变换电路，具体涉及一种开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构。
背景技术
开关磁阻电机具有可靠性高、起动转矩大、制造成本低等优势，其功率拓扑结构一直是各国专家研究的热点，合适的拓扑结构可以降低开关磁阻电机的成本，提高开关磁阻电机的动态特性，拓宽开关磁阻电机的应用场合。在最常用的不对称半桥功率变换电路的基础上文献“基于四电平功率变换电路的开关磁阻电机瞬时转矩控制”提出的四电平电路不能提供正常退磁状态；文献“五电平拓扑下开关磁阻电机直接瞬时转矩控制”只适用于偶数相开关磁阻电机；文献“Novel Active Boost Power Converter for SR Drive”提出了一种主动升压电路，但是没有正常退磁状态，同时升压电容C2也只能依靠电路回馈电能充电。本发明旨在提出一种新型开关磁阻电机多电平驱动电路，使开关磁阻电机在多种不同电平模式下切换运行，解决电机在运行中励磁电流上升、下降缓慢、系统效率和动态性能低的问题。
发明内容
本发明所要解决的问题是改进已有功率电路中的不足，提供一种新型开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构，通过控制功率拓扑中开关管的导通与关断，使开关磁阻电机在多种不同电平模式下切换运行，解决电机在运行中励磁电流上升、下降缓慢、系统效率和动态性能低的问题。
本发明的技术方案是：一种开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构，包括一个直流电源、一个升压电路、一个不对称半桥功率变换电路，其特征在于，所述的直流电源是将交流电整流成直流电的整流电源；所述的不对称半桥功率变换电路由连接升压电路和电动机绕组的功率开关部件组成；在直流电源和不对称半桥功率变换电路之间增加升压电路，升压电路包括电容C1、C2、开关管T1、二极管D1、开关管T2、二极管D21、D22、D23、D24、开关管T3、二极管D3。其中电容C1并联在直流电源侧；开关管T3反并联二极管D3后，D3负极与升压电容C2串联再并联在不对称半桥功率电路两侧，D3正极与C1低压侧连接；开关管T2和二极管D21、D22、D23、D24构成双向开关，分别连接电容C1的高压侧和电容C2的低压侧；开关管T1反并联二极管D1后，D1正极与C1的高压侧相连接，D1负极与C2的高压侧相连接。
所述的一种开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构通过控制升压电路和不对称半桥功率变换电路中的开关管的导通与关断，使开关磁阻电机在多电平状态下切换运行。
所述的开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构中升压电路和不对称半桥功率变换器中的功率开关器件均采用全控性器件。
本发明电容C1两侧电压等于直流侧电源电压，起动电机前通过控制开关管T3的通断可以给电容C2充电，，在电机起动时加载的电压为电容C1和C2的叠加电压(UC1+UC2)，电机可以快速起动。对比传统的开关磁阻电机不对称半桥功率变换电路，本发明所述的开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构，通过控制升压电路和不对称半桥功率变换电路中的开关管的通断，可以使电机工作在快速励磁(+2)、快速退磁(-2)、正常励磁(+1)、正常退磁(-1)和续流(0)五种状态。本发明实现了开关磁阻电机快速起动，并解决了电机运行中励磁电流上升、下降缓慢、系统效率和动态性能低等问题，是一种具有高鲁棒性、高可靠性、智能化的结构。
附图说明
图1是本发明所述开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构。
图2是本发明所述功率拓扑结构的电容充电图。
图3是本发明所述功率拓扑结构的运行模式图，以A相为例图3(a)是快速励磁模式；图3(b)是正常励磁模式；图3(c)是续流模式；图3(d)是正常退磁模式；图3(e)是快速退磁模式。
图中：TA1、TA2：电机A相绕组开关管；
DA1、DA2：电机A相绕组续流二极管；
TB1、TB2：电机B相绕组开关管；
DB1、DB2：电机B相绕组续流二极管；
TC1、TC2：电机C相绕组开关管；
DC1、DC2：电机C相绕组续流二极管；
具体实施方式
本发明提供了一种开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构，下面结合附图对本发明做进一步解释。
如图1所示，本发明提供了一种开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构，包括直流电源、一个升压电路和一个不对称半桥功率变换电路。其中直流电源是将交流电整流成直流电的整流电源；不对称半桥功率变换电路由连接升压电路和电动机绕组的功率开关部件组成；在直流电源和不对称半桥功率变换电路之间增加升压电路，升压电路包括电容C1、C2、开关管T1、二极管D1、开关管T2、二极管D21、D22、D23、D24、开关管T3、二极管D3。其中电容C1并联在直流电源侧；开关管T3反并联二极管D3后，D3负极与升压电容C2串联再并联在不对称半桥功率电路两侧，D3正极与C1低压侧连接；开关管T2和二极管D21、D22、D23、D24构成双向开关，分别连接电容C1的高压侧和电容C2的低压侧；开关管T1反并联二极管D1后，D1正极与C1的高压侧相连接，D1负极与C2的高压侧相连接。
如图2所示，是开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构的充电模式，电容C1两侧电压等于直流侧电源电压，导通T3直流侧电源给电容C2充电。
如图3(a)所示是快速励磁模式，开关管T2、TA1、TA2导通，且T1、T3关断，二极管DA1、DA2截止，电压UC1+UC2加至A相绕组两端，电流流向如图所示，使电机绕组快速励磁。如图3(b)所示是正常励磁模式：开关管TA1、TA2导通，且T1、T2、T3关断，二极管DA1、DA2截止，电压UC1加至A相绕组两端，电流流向如图所示，使电机绕组正常励磁。如图3(c)所示是续流模式：对于A相，在运行过程中若只导通开关管TA2或只导通开关管TA1，此时绕组两端电压为0，A相进入续流模式，电流流向如图所示。如图3(d)所示正常退磁模式：开关管T1导通，且T2、T3、TA1、TA2关断，二极管DA1、DA2导通，电压-UC1加至A相绕组两端，电流流向如图所示，绕组实现正常退磁。如图3(e)所示快速退磁模式：开关管T2导通，且T1、T3、TA1、TA2关断，二极管DA1、DA2导通，电压-(UC1+UC2)加至A相绕组两端，电流流向如图所示，绕组实现快速退磁。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构，包括直流电源、升压电路和不对称半桥功率变换电路，其特征在于：
所述的直流电源是将交流电整流成直流电的整流电源；
所述的不对称半桥功率变换电路是连接升压电路和电动机绕组的功率开关电路；以A相为例，所述的不对称半桥功率变换电路包括两个桥臂，第一个桥臂具有开关管TA1和二极管DA2，TA1的第一极与DA2的负极相连，并且连接至电机A相绕组的一端；第二个桥臂具有二极管DA1和开关管TA2，DA1的正极与TA2的第一极相连，并且连接至电机A相绕组的另一端；
所述的升压电路包括电容C1、C2、开关管T1、二极管D1、开关管T2、二极管D21、D22、D23、D24、开关管T3、二极管D3，其中电容C1并联在直流电源侧；开关管T3反并联二极管D3，D3负极与电容C2的低压侧相连，T3、D3反并联后与电容C2所组成的串联电路，再并联在不对称半桥功率变换电路两侧，D3正极与C1低压侧连接，再与DA2的正极和TA2的第二极相连；开关管T2和二极管D21、D22、D23、D24构成双向开关，分别连接电容C1的高压侧和电容C2的低压侧；开关管T1反并联二极管D1后，D1正极与C1的高压侧相连接，D1负极与C2的高压侧相连接，并且与TA1的第二极和DA1的负极相连。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构，其特征在于：电容C1两侧电压等于直流侧电源电压，起动电机前通过控制开关管T3的通断对电容C2充电，在电机起动时绕组两侧可施加电容C1和C2的叠加电压(UC1+UC2)，电机实现快速起动。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机的多电平功率拓扑结构，其特征在于：以电机A相为例，开关管T2、TA1、TA2导通，且T1、T3关断，二极管DA1、DA2截止，电压UC1+UC2加至A相绕组两端，电机运行在快速励磁(+2)状态；开关管TA1、TA2导通，且T1、T2、T3关断，二极管DA1、DA2截止，外加电源UC1加至A相绕组两端，电机运行在正常励磁(+1)状态；只导通开关管TA2或只导通开关管TA1，绕组两端电压为0，电机运行在续流(0)状态；开关管T1导通，且T2、T3、TA1、TA2关断，二极管DA1、DA2导通，外加电源-UC1加至A相绕组两端，电机运行在正常退磁(-1)状态；开关管T2导通，且T1、T3、TA1、TA2关断，二极管DA1、DA2导通，外加电源-(UC1+UC2)加至A相绕组两端，电机运行在快速退磁(-2)状态。
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