CN118137871A - 一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统，涉及逆变器领域，包括逆变器，所述逆变器由一个单端初级电感逆变器(SEPIC)和一个降压－升压逆变器构成，可以在两个极性中执行降压和升压操作，从而允许单个DC总线电压部署；所述单端初级电感逆变器中两个电感中的一个作为降压－升压逆变器的电感，所述单端初级电感逆变器中的一个电感和两个开关用于两个极性的公共元件，剩下的两个开关将仅分配给负极性和正极性操作中的一个。本发明的优点是：开发了一种新的DC/AC逆变器架构，以在负极性和正极性中产生准确的电压模式。双极性逆变器使用SEPIC和降压－升压逆变器概念来实现两极的降压－升压操作，最大限度地减少转矩波动。

Description

一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机驱动控制的领域，尤其涉及一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统。

背景技术

在传统的开关磁阻电机(SRM)驱动器中，当绕组通过电源开关连接到总线端子时，可以用DC总线电压激励电机相位，传统的电机驱动系统利用不对称半桥配置在两个极性中施加DC总线电压。控制所施加的DC电压的持续时间以调节相电流。然而，实现精确的电流调节是较为困难，尤其是在相位换向期间，这是产生转矩波动的主要原因之一；

除了相位换向之外，SRM中产生的非线性转矩也会产生转矩波动，而部分研究通过电流脉冲来减少扭矩波动，然而，对于传统的SRM逆变器，不可能在宽的操作速度范围内产生所需的参考电流。因此，转矩波动和声学噪声仍然是SRM广泛发展存在的问题，对于PMSM来说，由于半桥逆变器的可用PWM配置，可用相电压是直流母线电压的倍，尽管升压级允许更高的直流电压作为逆变器的输入，但这需要升压逆变器的额外设计，这将使系统在硬件和控制方面更加复杂。

传统的驱动系统在电机绕组上施加脉动电压，降低了电机的可靠性和寿命。在整个操作过程中，SRM的绕组暴露于这些具有典型VDC幅度的突然电压激励。由于寄生效应，它可能会更高。此外，驱动器和电动机之间的布线会放大施加在电动机绕组上的dv/dt的量。因此，电机绕组上的隔离受到严重影响，导致电机绕组故障，除了电机绕组的负担导致其绝缘故障外，脉动电压也是高阶谐波增加相电流中总谐波失真的原因。输出滤波器放置在电机和逆变器之间，以消除这些谐波并减少脉动电压对电机绕组的影响。

能够提供连续可变电压产生和升压能力的驱动系统将为电机驱动发展提供机会，这样的系统将在不需要PWM逆变器的情况下产生精确的AC输出电压，并且在没有升压级的情况下增加PMSM的驱动能力。如果将瞬时电压控制为连续波形而不是离散脉冲，则可以优化磁通产生以具有最小的转矩纹波，从而消除SRM的主要缺点，基于上述原因，本发明设计了一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提出的一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统。

一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统，包括逆变器，所述逆变器由一个单端初级电感逆变器(SEPIC)和一个降压－升压逆变器构成，可以在两个极性中执行降压和升压操作，从而允许单个DC总线电压部署；

所述单端初级电感逆变器中两个电感中的一个作为降压－升压逆变器的电感，所述单端初级电感逆变器中的一个电感和两个开关用于两个极性的公共元件，剩下的两个开关将仅分配给负极性和正极性操作中的一个。

在上述可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统中，所述逆变器具体包括直流电压源Vdc，电容Cin、电容C1、电容C2、开关S1、开关S2、开关S3和开关S4，其中电感Cin并联在直流电压源Vdc的两端，所述电容Cin并联有电感L1和开关S1，所述电感L1和开关S1相互靠近一端的连接处连接有支路并且支路上分别串联有电容C1和开关S4，所述电感L1的另一端串联连接有开关S3并且开关S3的另一端与开关S5远离电容C1的一端等电位，所述开关S4连接有并联的开关S2和电感L2并且两者的另一端连接有电容C2并连接输出端。

在上述可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统中，所述开关S1和开关S3选择为两象限双向电流开关，开关S2和开关S4使用四象限开关，可以在被反向偏置时阻挡反向电流，S3设置为背靠背开关对，能够断开到电感L2的DC总线连接。

在上述可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统中，所述开关S3包括两个串联的开关S3a和开关S3b组成，所述开关S3a和开关S3b均采用mos管，所述开关S3包括两个串联的开关S2a和开关S2b，所述开关S2a和开关S2b均采用mos管。

在上述可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统中，输出电压为正压时，开关S1和开关S2A正常开启，而开关S3始终处于关闭状态，开关S2B和开关S4始终处于打开状态，开关S1在正电压产生期间产生与开关S2a互补的PWM。

在上述可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统中，输出电压为负压时，开关S3和开关S2B正常工作，而开关S1和开关S4一直处于关闭状态，开关S2A一直处于打开状态。

与现有的技术相比，本发明优点在于：

开发了一种新的DC/AC逆变器架构，以在负极性和正极性中产生准确的电压模式。双极性逆变器使用SEPIC和降压－升压逆变器概念来实现两极的降压－升压操作，最大限度地减少转矩波动，并且减少了开关数量。

附图说明

图1为常规SEPIC拓扑的示意图。

图2为本发明提出的双极性DC/DC的SRM驱动器拓扑结构。

图3为本发明提出的一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统的切换模式图。

图4为本发明提出的一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统中逆变器的开关实现图。

图5为本发明提出的一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统中的控制方案图。

具体实施方式

参照图1-5，本发明提供了一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统，开发了一种新的DC/AC逆变器架构，以生成准确的电压模式，将来自控制算法的所需相电压模式应用于高带宽DC/AC逆变器架构；

该架构由一个改进的单端初级电感逆变器(SEPIC)和一个降压－升压逆变器构成，以实现指定和设计范围内的任何电压电平。所提出的逆变器可以在两个极性中执行降压和升压操作，从而允许单个DC总线电压部署。

与SEPIC和降压－升压逆变器的可能组合上的不对称半桥相比，开关的数量将很多，因此，开发了目标逆变器的拓扑结构，以将两个DC/DC逆变器的组合简化为更整洁的解决方案。由于SEPIC结构具有两个电感，因此使用其中一个作为降压－升压逆变器的电感减少了电感的数量。为了控制电感电流，SEPIC逆变器的第二开关(二极管)也可以用于降压－升压操作。因此，设计了背靠背的交换机对，在这种配置中，一个电感和两个开关是用于两个极性的公共元件。相反，剩下的两个开关将仅分配给负极性和正极性操作中的一个，所提出的逆变器如图2所示。

在图2中，当逆变器使用开关S3和开关S2产生负输出时，开关S4在不需要电感L1和电容C1时将电路与它们隔离，这种添加对于减少负电压生成的状态变量的数量以具有降低的传递函数阶数和控制算法中的补偿复杂度是必要的。

更进一步的，将来自控制算法的所需相电压模式应用于高带宽DC/AC逆变器架构。该体系结构由六个交换机构成，它可以作为SEPIC或降压－升压逆变器工作，以实现指定和设计范围内的任何电压电平，该电压电平将在两个极性中都具有可变电压发电。逆变器设计在开关频率范围内，该开关频率范围高于传统SRM驱动器的开关频率范围，以实现期望的动态性能。与传统逆变器相比，电容器尺寸的减小是高频操作的一个优点。

所提出的逆变器可以在两个极性中执行降压和升压操作，从而允许单个DC总线电压部署。所得到的电压波形在所施加的电压上具有最小的波动，以在宽的操作速度范围内实现精确的转矩控制。

逆变器的SEPIC侧包括开关S1和开关S2操作，而开关S3断开，开关S4始终导通，产生正极性电压。为了产生负极性电压，开关S1和开关S4断开，开关S3和开关S2以互补的方式操作。在这两种操作模式中，转换比如等式(1)中所示实现。

根据D的值，所提出的逆变器可以提供变化的输出电压，逆变器根据输出电压的所需极性从一个转换到另一个，对于零电压指令，任何逆变器级都是优选的。

所提出的逆变器具有四种不同的开关模式。如图3所示，当开关S3和开关S4保持断开时，开关S1和开关S2的互补操作实现了正电压的产生，在0-DT期间，电感L1中存储的能量转移到电感L2和DT-T期间的负载，其中D是占空比，T是开关频率的响应周期。类似地，对于负电压生成，开关S1和开关S2保持关断，而开关S3和开关S4作为互补操作。在这两种操作模式中，转换比如等式中(2)所示实现。

开关S1和开关S3必须选择为两象限双向电流开关，因为它是SEPIC和降压－升压逆变器的应用，在传统的降压－升压或SEPIC拓扑中，在DT-T期间导通的开关使用的是二极管。然而，在所提出的逆变器中，开关S2和开关S4被设计为四象限开关，因为它们可以在被反向偏置时阻挡反向电流。当它们不使用互补开关进行主动操作时，这一要求至关重要，因此，将背靠背放置的一对开关是开关S2和开关S4的开关模式的设计。

类似地，S3设计为背靠背开关对，以能够断开到电感L2的DC总线连接，这是升压操作的要求，WBG开关由于其快速切换能力而被用于实现所提出的逆变器。开关的实现如图4所示。

而本发明所提出的逆变器的整体控制方案如图5中的框图所示，如图5所示，双极性逆变器对于正电压和负电压产生模式具有不同的动态特性，因为在每种情况下激活和去激活的组件集是不同的。因此，该控制包括在逆变器输出处的零电压检测，以确定操作模式。根据选择的操作模式，通过分配给开关的任务来实现控制，主要是连续接通、连续断开和切换。

同时，每个开关使用基于二进制多路复用器的控制。例如，开关S1在正电压产生期间产生与开关S2a互补的PWM。在负电压或零电压产生模式期间，它关闭并保持关闭状态。类似地，当输出电压的极性为负时，开关S3和开关S2b互补地工作以调节输出电压。在正极性操作期间，开关S3保持关断，而开关S2b始终保持导通，图5绘制了两种操作模式下单相模块化逆变器每个组件的合成波形。

本发明在工作时，对于正电压产生，逆变器作为SEPIC逆变器工作。在此期间，开关S1和开关S2A正常运行，而开关S3始终处于关闭状态，开关S2B和开关S4始终处于打开状态，只有两个mos管在此操作中切换，减少了mos管的数量。

而在SEPIC变换器中，电感电流的大小增加到DT，并随着开关S1的关断而减小，而电感L2上的平均电流决定了负载上输出电流的大小。为了管理电感上的电流波动和输出电容上的电压波动，开关频率和电容和电感元件的尺寸起着至关重要的作用。因此，高频应用有利于该变换器以合理的精度和纹波提供所需的电压。

对于负电压产生，变换器作为Buck-Boost变换器工作，在此期间，开关S3和开关S2B正常工作，而开关S1和开关S4一直处于关闭状态，开关S2A一直处于打开状态，此时只有2个mos管在此操作中处于开关状态，在降压升压操作中，仅利用电感L2，该电感L2上的平均电流决定输出电流。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (6)

1.一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统，其特征在于：包括逆变器，所述逆变器由一个单端初级电感逆变器(SEPIC)和一个降压－升压逆变器构成，可以在两个极性中执行降压和升压操作，从而允许单个DC总线电压部署；

所述单端初级电感逆变器中两个电感中的一个作为降压－升压逆变器的电感，所述单端初级电感逆变器中的一个电感和两个开关用于两个极性的公共元件，剩下的两个开关将仅分配给负极性和正极性操作中的一个。

2.根据权利要求1所述的一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统，其特征在于：所述逆变器具体包括直流电压源Vdc，电容Cin、电容C1、电容C2、开关S1、开关S2、开关S3和开关S4，其中电感Cin并联在直流电压源Vdc的两端，所述电容Cin并联有电感L1和开关S1，所述电感L1和开关S1相互靠近一端的连接处连接有支路并且支路上分别串联有电容C1和开关S4，所述电感L1的另一端串联连接有开关S3并且开关S3的另一端与开关S5远离电容C1的一端等电位，所述开关S4连接有并联的开关S2和电感L2并且两者的另一端连接有电容C2并连接输出端。

3.根据权利要求2所述的一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统，其特征在于：所述开关S1和开关S3选择为两象限双向电流开关，开关S2和开关S4使用四象限开关，可以在被反向偏置时阻挡反向电流，S3设置为背靠背开关对，能够断开到电感L2的DC总线连接。

4.根据权利要求2所述的一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统，其特征在于：所述开关S3包括两个串联的开关S3a和S3b组成，所述开关S3a和S3b均采用mos管，所述开关S3包括两个串联的开关S2a和开关S2b，所述开关S2a和开关S2b均采用mos管。

5.根据权利要求4所述的一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统，其特征在于：输出电压为正压时，开关S1和开关S2A正常开启，而开关S3始终处于关闭状态，开关S2B和开关S4始终处于打开状态，开关S1在正电压产生期间产生与开关S2a互补的PWM。

6.根据权利要求4所述的一种可变励磁双极性逆变器拓扑及控制系统，其特征在于：输出电压为负压时，开关S3和开关S2B正常工作，而开关S1和开关S4一直处于关闭状态，S开关2A一直处于打开状态。