CN110112985A - 一种新型的开关磁阻电机多电平功率变换器 - Google Patents

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周永勤
赵洪鹏
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Abstract

本发明公布了一种新型的开关磁阻电机多电平功率变换器，包括并联连接的前端电路和主电路；前端电路由带反并联二极管的第1开关管Q1、带反并联二极管的第2开关管Q2、第1电容器C1、第2电容器C2、开关K1组成；主电路由第3开关管Q3、第4开关管Q4、第5开关管Q5、第6开关管Q6、第1二极管D1、第2二极管D2、第3二极管D3、第4二极管D4、第1相绕组A、第2相绕组B、第3相绕组C组成；该拓扑结构具有多种供电电压等级，升压电容充电更为主动；能够实现快速励磁和快速退磁，大大提高了系统的效率和动态特性。电容C2的充电方式较传统功率变换电路中依靠绕组反馈能量的充电方式而言更为简单可靠，电容C2充电后可通过人为控制其放电，十分便利。

Description

一种新型的开关磁阻电机多电平功率变换器
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机的功率变换器设计的技术领域，尤其涉及一种新型的开关磁阻电机多电平功率变换器。
背景技术
众所周知，能源危机与环境污染问题日益严重，已经引起世界各国的高度重视，电动机作为工业控制领域中不可或缺的核心环节与能耗大户，如何有效地降低其耗能量，对于解决能源危机与环境污染问题，无疑具有极其重要的意义；电动汽车作为绿色交通工具，较之于传统汽车，具有污染低、节约能源、噪声低等诸多显著优点；而电动汽车的电驱动系统是电动汽车的核心环节，合理地选择驱动电机无疑是其中至关重要的一环；在电动汽车应用领域，开关磁阻电机已经成为其电驱动控制系统首选机种之一，其相关技术的研究已经引起研究人员的浓厚兴趣。
由于开关磁阻电机其转子没有绕组，不需要永磁材料，只在定子有简单的集中绕组，可工作于高速、超高速运转，可以缺相运行，容错能力强；起动转矩大，低速性能好，这使得开关磁阻电机比其他电机在价格以及可靠性方面有着巨大优势，在近些年成为了热门研究的目标，大大提升了认知度，在传统的直、交流电机中形成强大的竞争力。
功率变换器为开关磁阻电机相绕组提供励磁和退磁电压，是控制系统的重要组成部分，其性能的好坏会对系统性能产生直接影响；传统非对称半桥式功率变换器仅能提供一种励磁电压和一种退磁电压，不能满足电机在不同负载和转速下的需求，会造成较大的电流或转矩脉动。
发明内容
针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提出一种具有多种供电电压等级，可实现快速励磁和退磁的开关磁阻电机多电平功率变换器。
为达上述目的，本发明提供一种新型的开关磁阻电机多电平功率变换器，采取如下技术方案：一种新型的开关磁阻电机多电平功率变换器，包括并联连接的前端电路和主电路。
所述前端电路由带反并联二极管的第1开关管Q1、带反并联二极管的第2开关管Q2、第1电容器C1、第2电容器C2、开关K1组成；其中，第1电容器C1并联在电源两端，第2电容器C2与带反并联二极管的第2开关管Q2的集电极相连，第2电容器C2的另一端与带反并联二极管的第1开关管Q1的集电极相连，带反并联二极管的第2开关管Q2的发射极与电源负极相连，带反并联二极管的第1开关管Q1的发射极与电源正极相连；开关K1的一端与连接电源正极的第1电容器C1的一端相连，开关K1的另一端与第2电容器C2和带反并联二极管的第2开关管Q2的连接点相连。
所述主电路由第3开关管Q3、第4开关管Q4、第5开关管Q5、第6开关管Q6、第1二极管D1、第2二极管D2、第3二极管D3、第4二极管D4、第1相绕组A、第2相绕组B、第3相绕组C组成；其中，第3开关管Q3的发射极与第1二极管D1的正极相连，第1二极管D1的负极与第1开关管Q1的集电极相连，第3开关管Q3的集电极与电源负极相连，第1相绕组A的一端与第2相绕组B的一端和第3相绕组C的一端相连，其连接点与第3开关管Q3的发射极与第1二极管D1的正极的连接点相连，第1相绕组A的另一端与第6开关管Q6的发射极和第2二极管D2的负极相连，第2相绕组B的另一端与第5开关管Q5的发射极和第3二极管D3的负极相连，第3相绕组C的另一端与第4开关管Q4的发射极和第4二极管D4的负极相连，第4开关管Q4的集电极与第5开关管Q5的集电极和第6开关管Q6的集电极相连，其连接点与第1二极管D1的负极相连，第2二极管D2的正极与第3二极管D3的正极和第4二极管D4的正极相连，其连接点与电源负极相连。
在所述技术方案中，开关K1为双向晶闸管。
本发明的有益效果为：本发明拓扑结构具有多种供电电压等级，升压电容充电更为主动；能够实现快速励磁和快速退磁，大大提高了系统的效率和动态特性。电容C2的充电方式较传统功率变换电路中依靠绕组反馈能量的充电方式而言更为简单可靠，电容C2充电后可通过人为控制其放电，十分便利。
附图说明
图1为本发明的多电平功率变换器拓扑结构。
图2为本发明的多电平功率变换器中电容充电原理图。
图3为本发明的多电平功率变换器中电机A相绕组常压励磁原理图。
图4为本发明的多电平功率变换器中电机A相绕组快速励磁原理图。
图5为本发明的多电平功率变换器中电机A相绕组续流原理图。
图6为本发明的多电平功率变换器中电机A相绕组常压退磁原理图。
图7为本发明的多电平功率变换器中电机A相绕组快速退磁原理图。
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的详细的说明。
本发明设计一种新型的开关磁阻电机多电平功率变换器，具有多种供电电压等级，升压电容充电更为主动；能够实现快速励磁和快速退磁，大大提高了系统的效率和动态特性。
如图1所示，本发明设计了一种新型的开关磁阻电机多电平功率变换器，包括并联连接的前端电路和主电路。
所述前端电路由带反并联二极管的第1开关管Q1、带反并联二极管的第2开关管Q2、第1电容器C1、第2电容器C2、开关K1组成；其中，第1电容器C1并联在电源两端，第2电容器C2与带反并联二极管的第2开关管Q2的集电极相连，第2电容器C2的另一端与带反并联二极管的第1开关管Q1的集电极相连，带反并联二极管的第2开关管Q2的发射极与电源负极相连，带反并联二极管的第1开关管Q1的发射极与电源正极相连；开关K1的一端与连接电源正极的第1电容器C1的一端相连，开关K1的另一端与第2电容器C2和带反并联二极管的第2开关管Q2的连接点相连。
所述主电路由第3开关管Q3、第4开关管Q4、第5开关管Q5、第6开关管Q6、第1二极管D1、第2二极管D2、第3二极管D3、第4二极管D4、第1相绕组A、第2相绕组B、第3相绕组C组成；其中，第3开关管Q3的发射极与第1二极管D1的正极相连，第1二极管D1的负极与第1开关管Q1的集电极相连，第3开关管Q3的集电极与电源负极相连，第1相绕组A的一端与第2相绕组B的一端和第3相绕组C的一端相连，其连接点与第3开关管Q3的发射极与第1二极管D1的正极的连接点相连，第1相绕组A的另一端与第6开关管Q6的发射极和第2二极管D2的负极相连，第2相绕组B的另一端与第5开关管Q5的发射极和第3二极管D3的负极相连，第3相绕组C的另一端与第4开关管Q4的发射极和第4二极管D4的负极相连，第4开关管Q4的集电极与第5开关管Q5的集电极和第6开关管Q6的集电极相连，其连接点与第1二极管D1的负极相连，第2二极管D2的正极与第3二极管D3的正极和第4二极管D4的正极相连，其连接点与电源负极相连。
在所述技术方案中，开关K1为双向晶闸管。
如图2所示，并联在电源两端的第1电容C1由电源直接充电，其两端电压VC1等于电源电压；当第2开关管Q2触发导通后，第2电容C2可由电源通过第1开关管Q1的反并联二极管和第2开关管Q2进行充电，其两端电压为VC2。
如图3所示，触发第3开关管Q3和第6开关管Q6导通，此时第1二极管D1和第4二极管D4反向截止，第2电容C2和开关K1不工作，此时电机A相绕组两端电压为第1电容C1两端电压VC1，此时A相绕组进入常压励磁状态。
如图4所示，第2电容C2充电后，触发第3开关管Q3、第6开关管Q6导通和开关K1导通，此时第1二极管D1和第4二极管D4反向截止，电机A相绕组由第1电容C1和第2电容C2共同供电，其两端电压为第1电容C1和第2电容C2两端电压之和VC1+VC2，A相绕组进入快速励磁状态，绕组电流快速建立，可实现电机快速启动。
如图5所示，触发第6开关管Q6导通，此时第1二极管D1导通，A相绕组两端电压为0，绕组电流流过第1二极管D1和第6开关管Q6，此时A相绕组进入续流状态。
如图6所示，触发第1开关管Q1导通，此时第1二极管D1和第4二极管D4导通，第2电容C2和开关K1不工作，此时电机A相绕组两端电压为-VC1，A相绕组储存的能量经第1二极管D1、第4二极管D4和第1开关管Q1以电能的形式反馈给电源侧，此时A相绕组进入常压退磁状态。
如图7所示，触发开关K1导通，第1二极管D1和第4二极管D4导通，此时电机A相绕组两端电压为-VC1+VC2，A相绕组储存的能量经第1二极管D1、第4二极管D4和开关K1以电能的形式迅速反馈给电源侧，此时A相绕组进入快速退磁状态。

Claims (2)

1.一种新型的开关磁阻电机多电平功率变换器，包括并联连接的前端电路和主电路，其特征在于：所述前端电路由带反并联二极管的第1开关管Q1、带反并联二极管的第2开关管Q2、第1电容器C1、第2电容器C2、开关K1组成；其中，第1电容器C1并联在电源两端，第2电容器C2与带反并联二极管的第2开关管Q2的集电极相连，第2电容器C2的另一端与带反并联二极管的第1开关管Q1的集电极相连，带反并联二极管的第2开关管Q2的发射极与电源负极相连，带反并联二极管的第1开关管Q1的发射极与电源正极相连；开关K1的一端与连接电源正极的第1电容器C1的一端相连，开关K1的另一端与第2电容器C2和带反并联二极管的第2开关管Q2的连接点相连；所述主电路由第3开关管Q3、第4开关管Q4、第5开关管Q5、第6开关管Q6、第1二极管D1、第2二极管D2、第3二极管D3、第4二极管D4、第1相绕组A、第2相绕组B、第3相绕组C组成；其中，第3开关管Q3的发射极与第1二极管D1的正极相连，第1二极管D1的负极与第1开关管Q1的集电极相连，第3开关管Q3的集电极与电源负极相连，第1相绕组A的一端与第2相绕组B的一端和第3相绕组C的一端相连，其连接点与第3开关管Q3的发射极与第1二极管D1的正极的连接点相连，第1相绕组A的另一端与第6开关管Q6的发射极和第2二极管D2的负极相连，第2相绕组B的另一端与第5开关管Q5的发射极和第3二极管D3的负极相连，第3相绕组C的另一端与第4开关管Q4的发射极和第4二极管D4的负极相连，第4开关管Q4的集电极与第5开关管Q5的集电极和第6开关管Q6的集电极相连，其连接点与第1二极管D1的负极相连，第2二极管D2的正极与第3二极管D3的正极和第4二极管D4的正极相连，其连接点与电源负极相连。
2.根据权利要求1所述一种新型的开关磁阻电机多电平功率变换器，其特征在于：开关K1为双向晶闸管。
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