CN113131803B - 一种开关磁阻电机用低成本功率变换器及其控制策略 - Google Patents

一种开关磁阻电机用低成本功率变换器及其控制策略 Download PDF

Info

Publication number
CN113131803B
CN113131803B CN202110427861.8A CN202110427861A CN113131803B CN 113131803 B CN113131803 B CN 113131803B CN 202110427861 A CN202110427861 A CN 202110427861A CN 113131803 B CN113131803 B CN 113131803B
Authority
CN
China
Prior art keywords
voltage
mode
follow current
current mode
low
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110427861.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113131803A (zh
Inventor
徐帅
张宽
聂瑞
辛小南
孟雅倩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhengzhou University
Original Assignee
Zhengzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhengzhou University filed Critical Zhengzhou University
Priority to CN202110427861.8A priority Critical patent/CN113131803B/zh
Publication of CN113131803A publication Critical patent/CN113131803A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113131803B publication Critical patent/CN113131803B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/28—Controlling the motor by varying the switching frequency of switches connected to a DC supply and the motor phases
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/28—Arrangements for controlling current

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

本发明涉及电机技术领域，提出一种开关磁阻电机用低成本功率变换器及其控制策略，包括：直流电源单元、升压单元、公共桥臂单元和各相桥臂单元；其中直流电源单元可用蓄电池或者开关电源；升压单元由电容和开关管并联组成，能够接入外部供电装置，提升供电的多源性和可靠性；公共桥臂单元由一个二极管和一个可控开关管组成；每相桥臂单元同样有一个二极管和一个可控开关管组成；所提出的增强型米勒功率变换器具有高压励磁模式、低压励磁模式、上管零电压续流模式、下管零电压续流模式、负低压续流模式和负高压续流模式六种工作模式，能够有效驱动开关磁阻电机有序换相和平稳运行，具有良好的工程应用价值。

Description

一种开关磁阻电机用低成本功率变换器及其控制策略
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种开关磁阻电机用低成本功率变换器及其控制策略。
背景技术
开关磁阻电机具有结构简单、制造成本低和容错能力强等优点，已经成为新能源汽车、风力发电、煤矿领域和智能制造装备驱动电机的重要选择。但是由于无稀土特性和双凸极结构，开关磁阻电机也存在着功率密度低、转矩脉动大和效率不高等缺点。为了克服上述缺点，现有的研究中通常采用设计新型电机拓扑、采用混合励磁的方式、提出新型控制策略和设计新型功率变换器拓扑实现。其中理想的新型功率变换器拓扑需要满足以下特性：(1)所用元器件数目尽可能少；(2)容错能力强，可靠性高；(3)系统响应速度快；(4)能够有序提供励磁模式、零电压续流模式和负电压续流模式。但是现有的少元器件功率变换器拓扑各个运行模式会相互干扰，例如米勒型功率变换器在电感下降区会不可避免的出现零电压续流模式，严重影响系统的运行效率。同时前端升压变换器拓扑通常需要接入额外的双向DC/DC单元、boost单元或者quasi-z单元，极大程度提高了元器件的使用数目和系统的成本。因此为了降低系统成本，提高运行效率、响应速度和功率密度，研究少元器件数目且具备升压功能的新型功率变换器拓扑是迫切需要的。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种开关磁阻电机用低成本功率变换器及其控制策略，以降低元器件使用数目和系统成本，提高响应速度、远行效率和功率密度。
为达上述目的，本发明一方面实施例提出一种开关磁阻电机用低成本功率变换器及其控制策略，包括：直流电源单元、升压单元、公共桥臂单元和各相桥臂单元；其中直流电源单元可以接入蓄电池或者开关电源；升压单元由电容和开关管并联组成，能够接入外部供电装置，提升供电的多源性和可靠性，同时能够吸收电机回馈能量泵升电压，而控制开关管的通断能够实现电容能量的泄放和电压的调节；公共桥臂单元由一个二极管和一个可控开关管组成；每相桥臂单元同样有一个二极管和一个可控开关管组成；其中可控开关管为常用的MOSFET或者IGBT。
工作原理说明：所提出的增强型米勒功率变换器具有高压励磁模式、低压励磁模式、上管零电压续流模式、下管零电压续流模式、负低压续流模式和负高压续流模式六种工作模式，能够有效驱动开关磁阻电机有序换相和平稳运行。高压励磁模式下直流电源单元和升压单元同时向绕组供电，此时需要开通升压单元的可控开关管和各相桥臂对应的可控开关管。例如A相高压励磁时，通过开通S5和S1向A相让绕组供电。低压励磁模式下直流电源单元单独向绕组供电，此时需要开通公共桥臂的可控开关管和各相桥臂对应的可控开关管。例如A相电压励磁时，此时需要开通S1和S4向A相绕组供电。上管零电压续流模式下，此时升压单元可控开关管和对应相桥臂单元的二极管开通。例如A相上管零电压续流时，通过S5和D1的导通使A相进行零电压续流。下管零电压续流模式下，此时公共桥臂单元二极管和对应相桥臂单元的可控开关管开通。例如A相下管零电压续流时，通过S1和D4的导通使A相零电压续流。负低压续流模式下，此时公共桥臂可控开关管和对应相桥臂的二极管导通。例如A相负低压续流时，通过导通S4和D1使A相绕组两端电压为负的电容电压，进行负电压续流。负高压续流模式下，此时需要关闭所有的可控开关管，仅使公共桥臂单元二极管和对应相桥臂的二极管导通。例如A相负高压续流时，通过导通D4和D1，使A相绕组两端电压为负的直流单元电压和电容电压，实现负高压续流。
当所提变换器驱动开关磁阻电机运行时，需要有效组合高压励磁模式、低压励磁模式、上管零电压续流模式、下管零电压续流模式、负低压续流模式和负高压续流模式。所述六种工作模式有效组合时，必须至少包含高压励磁模式和低压励磁模式的一种、上管零电压续流模式和下管零电压续流模式的一种、以及负低压续流模式和负高压续流模式的一种，因此共有27种组合模式；例如典型的工作模式组合包括：(1)高电压励磁模式、上管零电压续流模式和负低压续流模式；(2)高电压励磁模式、下管零电压续流模式和负低压续流模式；(3)高电压励磁模式、上管零电压续流模式和负高压续流模式；(4)高电压励磁模式、下管零电压续流模式和负高压续流模式；(5)高压励磁模式、低压励磁模式、上管零电压续流模式、下管零电压续流模式、负低压续流模式和负高压续流模式。所提变换器在驱动电机运行时需依据不同运行工况进行运行模式的选择，提高系统的运行性能，需要遵循以下原则:(1)各相初始导通阶段采用高压励磁模式快速建立电流，降低换相导致的转矩脉动；(2)各相续流阶段采用负高压续流模式快速使电流减小到0，避免进入负转矩生成区，提高系统运行效率；(3)在各相导通区域，采用低压励磁和上管零电压续流交替工作的方式，避免高励磁电压使开关管频繁开关带来的损耗；上述原则实施的过程中采用考虑转矩脉动、开关损耗和效率的评价函数来完成工作模式的选择，如式(1)所示。
Figure BDA0003030244460000031
上式中J为评价因子，k1为转矩脉动评价因子，k2为开关损耗评价因子，k3为效率评价因子，Tmax为最大转矩，Tmin为最小转矩，Tmean为平均转矩，N为功率器件数目，Pon_i为开通损耗，Poff_i为关断损耗，η。
本发明的有益效果为：本发明所提出的增强型米勒功率变换器拓扑能够降低元器件使用数目和系统成本，提高响应速度、远行效率和功率密度。同时能够丰富供电的多源性，提升供电的可靠性，在工程领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1的增强型米勒功率变换器拓扑结构图。
图2是本发明实施例1的高压励磁模式电流路径示意图。
图3是本发明实施例1的低压励磁模式电流路径示意图。
图4是本发明实施例1的上管零电压续流模式电流路径示意图。
图5是本发明实施例1的下管零电压续流模式电流路径示意图。
图6是本发明实施例1的负低压续流模式电流路径示意图。
图7是本发明实施例1的负高压续流模式电流路径示意图。
图8是本发明实施例1的基于运行模式选择的控制框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图描述本发明实施例的一种开关磁阻电机用增强型米勒功率变换器。
图1为根据本发明实施例的三相开关磁阻电机用增强型米勒功率变换器拓扑结构图。如图1所示，本发明实施例的三相开关磁阻电机用增强型米勒功率变换器拓扑包括：直流电源单元、升压单元、公共桥臂单元和各相桥臂单元；其中直流电源单元可以接入蓄电池或者开关电源；升压单元由电容和开关管并联组成，能够接入外部供电装置，提升供电的多源性和可靠性，同时能够吸收电机回馈能量泵升电压，而控制开关管的通断能够实现电容能量的泄放和电压的调节；公共桥臂单元由一个二极管和一个可控开关管组成；每相桥臂单元同样有一个二极管和一个可控开关管组成；其中可控开关管为常用的MOSFET或者IGBT。对于图1所示的变换器总共需要1个电容，5个可控开关管和4个二极管。相比于常规的不对称半桥功率变换器，需要1个电容，6个可控开关管和6个二极管，有效减少了所需元器件的数目。图2是本发明实施例1的高压励磁模式电流路径示意图。高压励磁模式下直流电源单元和升压单元同时向绕组供电，此时需要开通升压单元的可控开关管和各相桥臂对应的可控开关管，通过开通S5和S1向A相让绕组供电。图3是本发明实施例1低压励磁模式电流路径示意图。低压励磁模式下直流电源单元单独向绕组供电，此时需要开通公共桥臂的可控开关管和各相桥臂对应的可控开关管，需要开通S1和S4向A相绕组供电。图4是本发明实施例1上管零电压续流模式电流路径示意图。上管零电压续流模式下，此时升压单元可控开关管和对应相桥臂单元的二极管开通，通过S5和D1的导通使A相进行零电压续流。图5是本发明实施例1下管零电压续流模式电流路径示意图。下管零电压续流模式下，此时公共桥臂单元二极管和对应相桥臂单元的可控开关管开通，通过S1和D4的导通使A相零电压续流。图6是本发明实施例1负低压续流模式电流路径示意图。负低压续流模式下，此时公共桥臂可控开关管和对应相桥臂的二极管导通，通过导通S4和D1使A相绕组两端电压为负的电容电压，进行负低电压续流。图7是本发明实施例1负高压续流模式电流路径示意图。负高压续流模式下，此时需要关闭所有的可控开关管，仅使公共桥臂单元二极管和对应相桥臂的二极管导通，通过导通D4和D1，使A相绕组两端电压为负的直流单元电压和电容电压，实现负高压续流。
图8所示本发明实施例1基于运行模式选择的控制框图。所提当所提变换器驱动开关磁阻电机运行时，需要有效组合高压励磁模式、低压励磁模式、上管零电压续流模式、下管零电压续流模式、负低压续流模式和负高压续流模式。所述六种工作模式有效组合时，必须至少包含高压励磁模式和低压励磁模式的一种、上管零电压续流模式和下管零电压续流模式的一种、以及负低压续流模式和负高压续流模式的一种，因此共有27种组合模式；例如典型的工作模式组合包括：(1)高电压励磁模式、上管零电压续流模式和负低压续流模式；(2)高电压励磁模式、下管零电压续流模式和负低压续流模式；(3)高电压励磁模式、上管零电压续流模式和负高压续流模式；(4)高电压励磁模式、下管零电压续流模式和负高压续流模式；(5)高压励磁模式、低压励磁模式、上管零电压续流模式、下管零电压续流模式、负低压续流模式和负高压续流模式。所提变换器在驱动电机运行时需依据不同运行工况进行运行模式的选择，提高系统的运行性能，需要遵循以下原则:(1)各相初始导通阶段采用高压励磁模式快速建立电流，降低换相导致的转矩脉动；(2)各相续流阶段采用负高压续流模式快速使电流减小到0，避免进入负转矩生成区，提高系统运行效率；(3)在各相导通区域，采用低压励磁和上管零电压续流交替工作的方式，避免高励磁电压使开关管频繁开关带来的损耗；上述原则实施的过程中采用考虑转矩脉动、开关损耗和效率的评价函数来完成工作模式的选择，如式(1)所示。
Figure BDA0003030244460000051
上式中J为评价因子，k1为转矩脉动评价因子，k2为开关损耗评价因子，k3为效率评价因子，Tmax为最大转矩，Tmin为最小转矩，Tmean为平均转矩，N为功率器件数目，Pon_i为开通损耗，Poff_i为关断损耗，η。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机用低成本功率变换器的控制策略，其特征在于：所提变换器由直流电源单元、升压单元、公共桥臂单元和各相桥臂单元组成；其中直流电源单元接入蓄电池或者开关电源；升压单元由电容和开关管并联组成，能够接入外部供电装置，提升供电的多源性和可靠性，同时能够吸收电机回馈能量泵升电压，而控制开关管的通断能够实现电容能量的泄放和电压的调节；公共桥臂单元由一个二极管和一个可控开关管组成；其中可控开关管为MOSFET或者IGBT；所提变换器具有高压励磁模式、低压励磁模式、上管零电压续流模式、下管零电压续流模式、负低压续流模式和负高压续流模式六种工作模式，能够通过六种工作模式的有效组合，实现开关磁阻电机的有序换相和平稳运行；所述六种工作模式有效组合时，必须至少包含高压励磁模式和低压励磁模式的一种、上管零电压续流模式和下管零电压续流模式的一种、以及负低压续流模式和负高压续流模式的一种，因此共有27种组合模式；例如工作模式组合包括：(1)高电压励磁模式、上管零电压续流模式和负低压续流模式；(2)高电压励磁模式、下管零电压续流模式和负低压续流模式；(3)高电压励磁模式、上管零电压续流模式和负高压续流模式；(4)高电压励磁模式、下管零电压续流模式和负高压续流模式；(5)高压励磁模式、低压励磁模式、上管零电压续流模式、下管零电压续流模式、负低压续流模式和负高压续流模式；所提变换器在驱动电机运行时需依据不同运行工况进行运行模式的选择，提高系统的运行性能，需要遵循以下原则:(1)各相初始导通阶段采用高压励磁模式快速建立电流，降低换相导致的转矩脉动；(2)各相续流阶段采用负高压续流模式快速使电流减小到0，避免进入负转矩生成区，提高系统运行效率；(3)在各相导通区域，采用低压励磁和上管零电压续流交替工作的方式，避免高励磁电压使开关管频繁开关带来的损耗；上述原则实施的过程中采用考虑转矩脉动、开关损耗和效率的评价因子来完成工作模式的选择，如式(1)所示；
Figure FDA0004086843460000011
上式中J为评价因子，k1为转矩脉动评价因子，k2为开关损耗评价因子，k3为效率评价因子，Tmax为最大转矩，Tmin为最小转矩，Tmean为平均转矩，N为功率器件数目，Pon_i为开通损耗，Poff_i为关断损耗，η为损耗。
CN202110427861.8A 2021-04-21 2021-04-21 一种开关磁阻电机用低成本功率变换器及其控制策略 Active CN113131803B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110427861.8A CN113131803B (zh) 2021-04-21 2021-04-21 一种开关磁阻电机用低成本功率变换器及其控制策略

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110427861.8A CN113131803B (zh) 2021-04-21 2021-04-21 一种开关磁阻电机用低成本功率变换器及其控制策略

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113131803A CN113131803A (zh) 2021-07-16
CN113131803B true CN113131803B (zh) 2023-06-09

Family

ID=76778326

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110427861.8A Active CN113131803B (zh) 2021-04-21 2021-04-21 一种开关磁阻电机用低成本功率变换器及其控制策略

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113131803B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116455295B (zh) * 2023-05-08 2024-02-27 中国矿业大学 一种轴径向混合磁通开关磁阻电机用功率变换器及控制方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109004879A (zh) * 2018-08-10 2018-12-14 南京信息工程大学 一种开关磁阻电机功率变换器及控制方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7372232B2 (en) * 2002-05-24 2008-05-13 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Apparatus for drive control, power conversion, and start-up control in a PMBDCM or two-phase SRM drive system
CN102843078A (zh) * 2012-08-14 2012-12-26 深圳先进技术研究院 一种集成开关磁阻电机驱动与低压电池充电的变换装置
CN107947679B (zh) * 2017-11-15 2019-11-29 浙江大学 一种用于太阳能混合动力汽车的多端口双向开关磁阻电机驱动系统
CN110048660B (zh) * 2019-04-08 2020-12-04 中国计量大学 一种开关磁阻电机综合功率变换器系统
CN112087182B (zh) * 2020-09-07 2022-04-29 南京邮电大学 一种宽转子齿无轴承开关磁阻电机功率变换器及控制方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109004879A (zh) * 2018-08-10 2018-12-14 南京信息工程大学 一种开关磁阻电机功率变换器及控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN113131803A (zh) 2021-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101378227B (zh) 一种级联装置的功率单元
CN1890866A (zh) Dc－dc变换器
CN113659914B (zh) 一种用于高速开关磁阻电机的驱动电路及其控制方法
CN109004879A (zh) 一种开关磁阻电机功率变换器及控制方法
CN110601525B (zh) 新能源汽车集成车载充电变换系统
CN108631604B (zh) 一种环保用双变压器型零电流谐振三电平直流变换器
CN113131803B (zh) 一种开关磁阻电机用低成本功率变换器及其控制策略
CN203827175U (zh) 一种新型软开关双向dc-dc变换器
CN113630059B (zh) 一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换器
CN112615539B (zh) 一种三相开关磁阻电机集成型升压功率变换器及控制方法
CN1848665A (zh) 三开关式功率变换器
CN114553079B (zh) 一种电压可调式开关磁阻发电机功率变换器及其控制方法
CN114865983B (zh) 一种复用励磁绕组的三相交流调速系统
CN105978372A (zh) 一种拓扑电路以及半桥拓扑电路以及三相全桥拓扑电路
CN114337459B (zh) 适用于宽电源电压的两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路
Rim et al. A novel converter topology for switched reluctance motor drives improving efficiency and simplifying control strategy
CN108859705B (zh) 一种新能源汽车集成电驱动系统
CN114301292A (zh) 一种软开关型双向buck-boost变换器
CN114337457B (zh) 一种两相电机的不对称半桥拓扑电路
CN111987904A (zh) 非隔离dc/dc直流变换器
CN114337455B (zh) 一种低压电机的驱动拓扑电路
CN110422066A (zh) 一种车载充电装置
Ma et al. A Modified Interleaved Active-Clamp Flyback Converter for Improving Power Efficiency and Power Density
CN114337456B (zh) 一种两相电机的不对称半桥拓扑电路
CN222283075U (zh) 一种大功率车载直流电源控制装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant