CN109004879A - 一种开关磁阻电机功率变换器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开关磁阻电机功率变换器及控制方法，采用该新型功率拓扑结构，对比传统不对称半桥功率变换器，减少功率器件，降低开关损耗，提高整个系统效率；采用该新型功率拓扑结构，通过第2电解电容C₂在开关磁阻电机初始励磁过程中，提供高压励磁状态，达到快速励磁的目的，导通区电流峰值增大，有利于增大导通区输出转矩；关断续流模式下，相绕组加载电压远高于直流输入电压的反压，实现快速续流，有利于拓宽导通区间，不仅有利于增大电机的输出转矩，也使得电机的开通角和关断角的选择更为灵活；可满足各类单相、双相、三相或多相开关磁阻电机在低成本中低速大扭矩应用场合的大规模应用需求。

Description

一种开关磁阻电机功率变换器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机功率变换器及控制方法，属于电机功率变换技术领域。

背景技术

开关磁阻电机是双凸极结构，具有可靠性高、启动转矩大、控制方便、成本低等优势，功率变换器作为电机运行时承担能量转换工作的部件，对功率变换器的研究有利于开关磁阻电机系统小型化、集成化。

开关磁阻电机典型的功率拓扑是不对称半桥，每一桥臂控制需要两个二极管两个开关管，当桥臂增加的时候，功率器件增加比较多，成本不容易控制，开关损耗比较明显。在不影响电机性能的同时减少功率开关器件，降低成本和减少开关损耗，公共型功率变换器在这方面有着明显的优势，但是由于公共开关管的存在，在控制方面当两相同时导通的时候会出现其中一相零电压续流，可能会使得其全周期导通，严重影响开关磁阻电机的转矩输出和效率，严重时会导致导通区电流过大而造成功率器件烧毁。因此传统的带公共开关管的功率变换器只适合单相导通模式，且不适合高速运行，使得开通区间严重受限。因此，如何在同样的电源电压的条件下，加快导通区电流上升速率，增大电流峰值，且能加快关断时电流续流下降的速率，将有助于拓宽公共开关功率变换器驱动下的导通区间，增大导通区的电机转矩输出，并减小续流电流的负转矩影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具备快速励磁和续流能力，能减少开关器件使用，并降低开关损耗和系统成本的开关磁阻电机功率变换器。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种开关磁阻电机功率变换器，即电容储能型升压电路与上开关公共型功率变换器的级联，所述电容储能型升压电路包括直流电源U_S、第1电解电容C₁、第2电解电容C₂、第5二极管D₅、第6二极管D₆、第7二极管D₇；其中，直流电源U_S的正极分别与第5二极管D₅的阳极、第6二极管D₆的阴极、第1电解电容C₁的正极相连接；第5二极管D₅的阴极与第2电解电容C₂的正极相连接；第2电解电容C₂的负极分别与第6二极管D₆的阳极、第7二极管D₇的阴极相连接；第1电解电容C₁的负极、第7二极管D₇的阳极分别与直流电源U_S的负极相连接；

所述上开关公共型功率变换器包括公共开关管K₁、公共续流二极管D₁和至少一相驱动桥臂，其中，各相驱动桥臂分别均包括一相电机绕组、以及对应相开关管和对应相续流二极管；其中，第5二极管D₅的阴极分别与公共开关管K₁的集电极、以及各相续流二极管的阴极相连接；公共开关管K₁的发射极分别与公共续流二极管D₁的阴极、以及各相电机绕组的其中一端相连接；各相电机绕组的另一端、以及对应相续流二极管的阳极分别与对应相开关管的集电极相连接；公共续流二极管D₁的阳极、以及各相开关管的发射极分别与直流电源U_S的负极相连接。

与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种针对开关磁阻电机功率变换器的控制方法，具备快速励磁和续流能力，能减少开关器件使用，降低开关损耗和系统成本，并提高工作效率。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种针对开关磁阻电机功率变换器的控制方法，包括各相电机绕组的工作控制方法，其中，各相电机绕组的工作控制方法彼此相同，各相电机绕组的工作控制方法中，包括分别针对各相电机绕组A，执行如下模式一工作控制方法：

当A相电机绕组初始开通时，公共开关管K₁和A相开关管开通，第2电解电容C₂、公共开关管K₁、A相电机绕组、A相开关管和第7二极管D₇构成相绕组励磁回路，由第2电解电容C₂放电给A相电机绕组进行初始励磁，伴随第2电解电容C₂的电压由U_Us+ΔU下降至U_Us。

作为本发明的一种优选技术方案，所述各相电机绕组的工作控制方法中，还包括分别针对各相电机绕组A，执行如下模式二工作控制方法：

基于第2电解电容C₂放电、使得其电压由U_Us+ΔU下降至U_Us时，由直流电源U_S、第5二极管D₅、公共开关管K₁、A相电机绕组、A相开关管、第1电解电容C₁构成励磁回路，并由直流电源U_S针对A相电机绕组进行励磁，此时A相电机绕组励磁电压为U_Us。

作为本发明的一种优选技术方案，所述各相电机绕组的工作控制方法中，还包括分别针对各相电机绕组A，执行如下模式三工作控制方法：

基于模式二的操作，公共开关管K₁和A相开关管同时关断，A相电机绕组进入关断续流模式，A相电机绕组、A相续流二极管、第2电解电容C₂、第6二极管D₆、第1电解电容C₁构成A相续流回路，由于第1电解电容C₁与直流电源U_S并联，第1电解电容C₁电压不变，A相续流电流给第2电解电容C₂充电，使得第2电解电容C₂的电压升至U_Us+ΔU，A相电机绕组续流阶段加载在A相电机绕组两端电压为-(2U_Us+ΔU)，使得A相电机绕组快速续流至零。

本发明所述一种开关磁阻电机功率变换器及控制方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明设计一种开关磁阻电机功率变换器及控制方法，采用该新型功率拓扑结构，对比传统不对称半桥功率变换器，减少功率器件，降低开关损耗，提高整个系统效率；采用该新型功率拓扑结构，通过第2电解电容C₂在开关磁阻电机初始励磁过程中，提供高压励磁状态，达到快速励磁的目的，导通区电流峰值增大，有利于增大导通区输出转矩；关断续流模式下，相绕组加载电压远高于直流输入电压的反压，实现快速续流，有利于拓宽导通区间，不仅有利于增大电机的输出转矩，也使得电机的开通角和关断角的选择更为灵活；可满足各类单相、双相、三相或多相开关磁阻电机在低成本中低速大扭矩应用场合的大规模应用需求。

附图说明

图1是本发明所设计一种开关磁阻电机功率变换器的拓扑结构示意图；

图2是本发明所设计一种开关磁阻电机功率变换器中A相电机绕组的模式一示意图；

图3是本发明所设计一种开关磁阻电机功率变换器中A相电机绕组的模式二示意图；

图4是本发明所设计一种开关磁阻电机功率变换器中A相电机绕组的模式三示意图；

图5是本发明所设计开关磁阻电机功率变换器与上管公共型功率变换器A相电流和绕组电压在开通角和关断角相同时的对比示意图；

图6是本发明所设计开关磁阻电机功率变换器与上管公共型功率变换器A相电流和绕组电压在开通角相同而关断角延后时的对比示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计一种开关磁阻电机功率变换器及控制方法，在不增加开关器件的情况下，通过使用电容和二极管实现导通区部分阶段升压，以及续流区部分阶段升压，从而使得电机励磁和续流加快，通过增大电流峰值而增大导通区输出转矩，同时在续流阶段实现快速续流，关断角可以尽可能延后和拓宽导通区间，减小下一相开通后对当前相续流的影响。

如图1所示，本发明设计了一种开关磁阻电机功率变换器，即电容储能型升压电路与上开关公共型功率变换器的级联，所述电容储能型升压电路包括直流电源U_S、第1电解电容C₁、第2电解电容C₂、第5二极管D₅、第6二极管D₆、第7二极管D₇；其中，直流电源U_S的正极分别与第5二极管D₅的阳极、第6二极管D₆的阴极、第1电解电容C₁的正极相连接；第5二极管D₅的阴极与第2电解电容C₂的正极相连接；第2电解电容C₂的负极分别与第6二极管D₆的阳极、第7二极管D₇的阴极相连接；第1电解电容C₁的负极、第7二极管D₇的阳极分别与直流电源U_S的负极相连接。

所述上开关公共型功率变换器包括公共开关管K₁、公共续流二极管D₁和至少一相驱动桥臂，其中，各相驱动桥臂电路分别均包括一相电机绕组、以及对应相开关管和对应相续流二极管；其中，第5二极管D₅的阴极分别与公共开关管K₁的集电极、以及各相续流二极管的负极相连接；公共开关管K₁的发射极分别与公共续流二极管D₁的阴极、以及各相电机绕组的其中一端相连接；各相电机绕组的另一端、以及对应相续流二极管的正极分别与对应相开关管的集电极相连接；公共续流二极管D₁的阳极、以及各相开关管的发射极分别与直流电源U_S的负极相连接。

实际应用中，对于上开关公共型功率变换器，如图1所示，具体设计包括A相电机绕组A、B相电机绕组B、C相电机绕组C、公共开关管K₁、A相开关管K₂、B相开关管K₃、C相开关管K₄、公共续流二极管D₁、A相续流二极管D₂、B相续流二极管D₃和C相续流二极管D₄。其中，第5二极管D₅的阴极分别与公共开关管K₁的集电极、A相续流二极管D₂的阴极、B相续流二极管D₃的阴极、C相续流二极管D₄的阴极相连接；公共开关管K₁的发射极分别与公共续流二极管D₁的阴极、A相电机绕组A的其中一端、B相电机绕组B的其中一端、C相电机绕组C的其中一端相连接；A相电机绕组A的另一端、A相续流二极管D₂的阳极分别与A相开关管K₂的集电极相连接；B相电机绕组B的另一端、B相续流二极管D₃的阳极分别与B相开关管K₃的集电极相连接；C相电机绕组C的另一端、C相续流二极管D₄的阳极分别与C相开关管K₄的集电极相连接；公共续流二极管D₁的阳极、A相开关管K₂的发射极、B相开关管K₃的发射极、C相开关管K₄的发射极分别与直流电源U_S的负极相连接。

A相电机绕组A与公共开关管K₁、A相开关管K₂串联构成A相驱动桥臂，公共续流二极管D₁、A相电机绕组A、A相续流二极管D₂构成A相关断续流回路；B相电机绕组B与公共开关管K₁、B相开关管K₃串联构成B相驱动桥臂，公共续流二极管D₁、B相电机绕组B、B相续流二极管D₃构成B相关断续流回路；C相电机绕组C与公共开关管K₁、C相开关管K₄串联构成C相驱动桥臂，公共续流二极管D₁、C相电机绕组C、C相续流二极管D₄构成C相关断续流回路。

所设计开关磁阻电机功率变换器，继承了传统的公共开关型功率变换器的所有优点，相较于传统的不对成板桥功率变换器，节省了两个功率开关管和两个续流二极管；开关器件的减少同样会减少功率驱动电路的路数，驱动控制更为简单，对控制器的要求大幅降低，此外，由于上开关管公共，整个驱动系统只需要两路独立辅助电源；系统成本和控制难度可大幅下降，其中，公共开关管K₁承担了各相驱动模式的通断工作，公共续流二极管D₁承担了各相续流工作，可以有效减小开关器件的损耗。

基于所设计开关磁阻电机功率变换器，本发明还设计一种针对开关磁阻电机功率变换器的控制方法，包括各相电机绕组的工作控制方法，其中，各相电机绕组的工作控制方法彼此相同，各相电机绕组的工作控制方法中，包括分别针对各相电机绕组A，分别执行模式一工作控制方法、模式二工作控制方法、模式三工作控制方法，其中，如图2所示，分别针对各相电机绕组A，执行如下模式一工作控制方法：

当A相电机绕组初始开通时，公共开关管K₁和A相开关管开通，第2电解电容C₂、公共开关管K₁、A相电机绕组、A相开关管和第7二极管D₇构成相绕组励磁回路，由第2电解电容C₂放电给A相电机绕组进行初始励磁，伴随第2电解电容C₂的电压由U_Us+ΔU下降至U_Us。

上述模式一工作控制方法中，导通区初始励磁阶段A相电机绕组中加载的励磁电压为U_Us+ΔU，高于直流电源电压U_Us，可以实现高压迅速励磁，可在相同开通角的条件下，峰值电流更大，使得在同样开通角和关断角的区间能获得更大的输出转矩。

如图3所示，分别针对各相电机绕组A，执行如下模式二工作控制方法：

基于第2电解电容C₂放电、使得其电压由U_Us+ΔU下降至U_Us时，由直流电源U_S、第5二极管D₅、公共开关管K₁、A相电机绕组、A相开关管、第1电解电容C₁构成励磁回路，并由直流电源U_S针对A相电机绕组进行励磁，此时A相电机绕组励磁电压为U_Us。

如图4所示，分别针对各相电机绕组A，执行如下模式三工作控制方法：

基于模式二的操作，公共开关管K₁和A相开关管同时关断，A相电机绕组进入关断续流模式，A相电机绕组、A相续流二极管、第2电解电容C₂、第6二极管D₆、第1电解电容C₁构成A相续流回路，由于第1电解电容C₁与直流电源U_S并联，第1电解电容C₁电压不变，A相续流电流给第2电解电容C₂充电，使得第2电解电容C₂的电压升至U_Us+ΔU，A相电机绕组续流阶段加载在A相电机绕组两端电压为-(2U_Us+ΔU)，使得A相电机绕组快速续流至零。

上述模式三工作控制方法中，关断续流阶段，A相电机绕组中两端电压为大小为-(2U_Us+ΔU)的反向电压，其绝对值大小远高于直流母线电压U_Us，可使得A相电机绕组快速续流至零，可以避开传统上开关管公共型变换器续流慢、而造成的导通区间大大缩短的问题；与传统的上开关管公共型变换器相比，在相同的开通角和关断角的条件下，本发明功率变换器具备快速续流特点，即使导通区电流更大，也能在较短的区间内续流至零，可以输出更大的转矩；此外，由于快速续流的特点，在开通角相同的条件下，关断角可以延后一定的角度，使得导通区间变宽，进一步提升电机输出转矩，同时也使得电机控制更为灵活；可根据电容充放电快慢，灵活选择开通、关断角在实现最大转矩输出的同时，还可以有效避开两相重叠导通的工作模式。

将上述所设计开关磁阻电机功率变换器及控制方法，应用于实际当中，

如图5和图6所示，其中，相电流1为上管公共型功率变换器工作时的相电流波形，相电流2为本发明开关磁阻电机功率变换器工作时的相电流波形，绕组电压1为上管公共型功率变换器工作时的相绕组两端电压波形，绕组电压2为本发明开关磁阻电机功率变换器工作时的相绕组两端电压波形。本发明功率变换器在导通区初始励磁阶段A相电机绕组中加载的励磁电压为U_Us+ΔU，高于上管公共型功率变换器在该阶段A相电机绕组中加载的励磁电压U_Us，因此可以实现高压迅速励磁，可在相同开通角的条件下，获得更大的峰值电流，使得在同样开通角和关断角的区间呢获得更大的输出转矩。

关断续流阶段，本发明开关磁阻电机功率变换器中A相电机绕组中两端电压为大小为2U_Us+ΔU的反向电压，其绝对值大小远高于上管公共型功率变换器在关断续流阶段A相电机绕组中两端加载的大小为U_Us的反向电压。因此，本发明开关磁阻电机功率变换器具备快速续流特征，A相电机绕组电流可以快速续流至零。

如图5所示，在相同的开通角和关断角的条件下，本发明相电机绕组具备快速续流特点，即使导通区峰值电流更大的情况下，也能在更短的时间内续流至零，从而实现更大的转矩的输出。

如图6所示，由于本发明相电机绕组具备快速续流的特点，在开通角相同的条件下，关断角可以延后一定的角度，使得导通区间变宽，进一步提升电机输出转矩，同时也使得电机控制更为灵活。因此，可根据电容充放电快慢，灵活选择开通、关断角在实现最大转矩输出的同时，还可以有效避开两相重叠导通的工作模式。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种开关磁阻电机功率变换器，即电容储能型升压电路与上开关公共型功率变换器的级联，其特征在于：所述电容储能型升压电路包括直流电源U_S、第1电解电容C₁、第2电解电容C₂、第5二极管D₅、第6二极管D₆、第7二极管D₇；其中，直流电源U_S的正极分别与第5二极管D₅的阳极、第6二极管D₆的阴极、第1电解电容C₁的正极相连接；第5二极管D₅的阴极与第2电解电容C₂的正极相连接；第2电解电容C₂的负极分别与第6二极管D₆的阳极、第7二极管D₇的阴极相连接；第1电解电容C₁的负极、第7二极管D₇的阳极分别与直流电源U_S的负极相连接；

所述上开关公共型功率变换器包括公共开关管K₁、公共续流二极管D₁和至少一相驱动桥臂，其中，各相驱动桥臂分别均包括一相电机绕组、以及对应相开关管和对应相续流二极管；其中，第5二极管D₅的阴极分别与公共开关管K₁的集电极、以及各相续流二极管的阴极相连接；公共开关管K₁的发射极分别与公共续流二极管D₁的阴极、以及各相电机绕组的其中一端相连接；各相电机绕组的另一端、以及对应相续流二极管的阳极分别与对应相开关管的集电极相连接；公共续流二极管D₁的阳极、以及各相开关管的发射极分别与直流电源U_S的负极相连接。

2.一种针对权利要求1所述一种开关磁阻电机功率变换器的控制方法，其特征在于：包括各相电机绕组的工作控制方法，其中，各相电机绕组的工作控制方法彼此相同，各相电机绕组的工作控制方法中，包括分别针对各相电机绕组A，执行如下模式一工作控制方法：

当A相电机绕组初始开通时，公共开关管K₁和A相开关管开通，第2电解电容C₂、公共开关管K₁、A相电机绕组、A相开关管和第7二极管D₇构成相绕组励磁回路，由第2电解电容C₂放电给A相电机绕组进行初始励磁，伴随第2电解电容C₂的电压由U_Us+ΔU下降至U_Us。

3.根据权利要求2所述一种针对开关磁阻电机功率变换器的控制方法，其特征在于，所述各相电机绕组的工作控制方法中，还包括分别针对各相电机绕组A，执行如下模式二工作控制方法：

基于第2电解电容C₂放电、使得其电压由U_Us+ΔU下降至U_Us时，由直流电源U_S、第5二极管D₅、公共开关管K₁、A相电机绕组、A相开关管、第1电解电容C₁构成励磁回路，并由直流电源U_S针对A相电机绕组进行励磁，此时A相电机绕组励磁电压为U_Us。

4.根据权利要求3所述一种针对开关磁阻电机功率变换器的控制方法，其特征在于，所述各相电机绕组的工作控制方法中，还包括分别针对各相电机绕组A，执行如下模式三工作控制方法：

基于模式二的操作，公共开关管K₁和A相开关管同时关断，A相电机绕组进入关断续流模式，A相电机绕组、A相续流二极管、第2电解电容C₂、第6二极管D₆、第1电解电容C₁构成A相续流回路，由于第1电解电容C₁与直流电源U_S并联，第1电解电容C₁电压不变，A相续流电流给第2电解电容C₂充电，使得第2电解电容C₂的电压升至U_Us+ΔU，A相电机绕组续流阶段加载在A相电机绕组两端电压为-(2U_Us+ΔU)，使得A相电机绕组快速续流至零。