CN1207840C - 线路谐波的控制 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻驱动装置由电源供电，被施加于相绕组的激励电压中被插入一个或几个间隙，使得当把相绕组电流相加时，所得的电源电流具有减少的谐波含量。所述电源可以是交流的或直流的。

Description

线路谐波的控制

本发明涉及供给电子控制设备的电源的线路电压和电流中的谐波控制。具体地说，本发明涉及一种由谐波含量受限制的电源供电的开关磁阻驱动系统。

电子控制设备一般由在正常情况下具有正弦电压波形的交流电源供电。然而，由于在设备内的非线性，由设备从电源汲取的电流经常是非正弦的。在数学上，所述电流一般被表示为一系列具有不同频率的正弦分量：最低的频率(基波)分量相应于电源频率，较高的频率被称为谐波。经常使用数学工具例如富氏变换确定这些电流分量的频率和幅值。

近年来，供电公司越来越关注供给电子控制设备的线路电流的谐波含量的增加。制定了许多规章用于限制可允许的谐波含量。例如，在欧洲对于民用设备和轻工业设备的有关标准是IEC 1000。图1表示IEC 1000对于民用设备的的谐波电流限制，所述设备由230V单相电源供电，输入电流高达16A。对于小功率的设备，例如600W的小微波炉，一般的措施是配备和设备串联的简单的电感线圈(即电抗器)形式的无功滤波器，用于抑制谐波。当谐波的阶数增加时，这种电感线圈的阻抗增加，因而一般被设计为刚好足以使设备处于所允许的范围内。不过，当设备汲取的功率增加时，这种滤波器的体积和成本则成为不经济的，因而需要某些形式的有功滤波器。用于民用设备的典型的有功滤波器是熟知的，例如在“UC3854Controlled Power Factor Correction Circuit Design”，Todd，PC，Unitrode Application Note U-134，Unitrode Corporation，Merrimack，New Hampshire，USA中讨论过。

开关磁阻电机在民用设备和其它相对小的功率的设备中的应用不断增加。开关磁阻电机的特性和操作在本领域中是熟知的，例如在“The characteristics，design and application of switched reluctancemotors and drives”by Stephenson and Blake，PCIM’93，Nurnberg，21-24 June 1993讨论过，这篇文章在此列为参考。图2示意地表示一种典型的开关磁阻驱动装置，其中开关磁阻电机12驱动负载19。所述驱动装置由单相交流电源供电，在图2中被表示为和电源阻抗34串联的电压源32。在大多数情况下，阻抗主要是感性的，并且这种电感可以通过串联一个附加电感而增加，如上所述。桥式整流器36整流电源的正弦电压，并由电容器38对输出电压滤波。带有标记+V和-V的线路一般被称为直流线路，电容器38被称为直流线路电容器。在直流线路上没有任何负载的情况下，电容器38在连续的电压周期被充电到整流器输出的峰值电压。由直流线路提供的直流电压在电子控制单元14的控制下借助于功率变换器13在电动机12的相绕组16上被转换。所述转换必须和电动机的旋转角度同步，以便使驱动装置正确地操作。一般使用转子位置检测器15提供相应于转子的角位置的信号。转子位置检测器15的输出也可以用于产生速度反馈信号。

开关磁阻驱动装置基本上是一种可变速的系统，其特征在于这种电机的相绕组中的电压和电流与普通电机中的十分不同。图3说明了这一点。图3(a)表示一般借助于控制器施加于相绕组的电压波形。在一个预定的转子角度，通过接通功率变换器13中的开关施加电压，因而在一个给定的角度θ_c内施加恒定的电压，θ_c称为导通角。电流从0开始上升，一般达到峰值并缓慢下降，如图3(b)所示。当经过θ_c之后，开关被打开，在续流二极管的作用下使一个负电压加于绕组上，使得电机中的磁通因而也是电流衰减到0。然后是一个0电流间隔直到重复这个周期。显然，在θ_c期间，相绕组从直流线路吸取能量，并在此后把一个小部分的能量返回直流线路。可以看出，直流线路需要是一种低阻抗电源，在其操作周期的一部分能够接收返回的能量。图3(c)表示必须由直流线路提供给相绕组的电流和在能量返回间隔期间流回的电流。

直流线路电容器38的大小和由驱动装置汲取的电流的数量显然具有相互作用，一般是这样设置电容器的大小，使得在交流电源电压下降到电容器电压以下的时间间隔期间，直流线路电压具有相当小的电压降，同时电容器继续向负载供电。这能够确保负载利用基本上恒定的电压操作。当电容器的大小合适时，电容器能够提供大部分所需的高次谐波电流，但是却产生大量的低次谐波(例如3次和5次谐波)，除非使用传统的滤波器。这种方案还具有需要大的因而成本高的电容器的缺点。为了解决这个问题，已知的方法是使用直流线路结构，其具有使得电容器的大小经济而又具有改善的功率因数的优点。图4表示一种这样的电路，即“填谷”电路，这种电路可以满足上述两个要求。然而这种电路一般从电容器供给高次谐波电流的能力差，因而这些谐波主要来自主电源。

图6是在高速下运行的按照常规方式操作的电机的测量参数的曲线。上面两个曲线表示施加于一相的两个开关的控制极触发信号。正如本领域技术人员容易理解的那样，当两个控制极触发信号都为高时直流母线电压被加于相绕组上。在这种情况下，所示的一个激励脉冲大约占据50％的周期时间，并且然后是一个短的续流间隔。因为使用填谷电路，所以直流线路电压波动，并且所示的特定的激励周期相应于电压为高的时刻，使得电机以连续电流的方式工作，如美国专利5469039中详细说明的，该专利在此列为参考。图7表示两相电流是如何组合从而产生电源电流的情况。该图表示交流电源的大约半个周期的电流。应当理解，由于填谷电路的作用，当电容器把其全部的能量提供给负载时，电源电流是0。这个电源电流具有大的谐波电流，如图8的分析所示。图8所分析可以利用若干已知的方法进行，一般使用由一种标准的试验设备进行的富氏变换。图8还表示谐波的限制值，如在图1中详细示出的，由图可见，对于标有星号(*)的测量值，这种驱动装置超出了允许的限制。

因而需要一种系统，其具有高的功率因数，从电源汲取低的谐波电流，并且生产成本低。

本发明的目的在于提供一种成本效果较好的大功率的驱动系统，其可以被操作用于减少线路谐波。

按照本发明的一个方面，提供一种在具有至少一个可激励的相绕组的开关磁阻电机的操作中用于减少给定带宽中的电谐波的方法，以及用于对所述至少一个相绕组施加激励电压从而对其激励的装置，所述方法包括：除去激励电压，从而在至少一个相绕组的激励中形成至少一个间隙，所述间隙在相导通时间间隔内具有预定的持续时间和预定的位置，使得减少和给定的带宽内的谐波相关的功率。

发现引入一个或几个间隙可以改变电源电流的谐波含量中的能量分布。因而，本发明可用于分配谐波含量，使得减少感兴趣的带宽中的谐波分量的能量。

最好是通过突然除去并突然恢复施加于至少一个相绕组上的电压来产生至少一个预定的间隙。所述间隙可用于续流，使得电流可以在至少一个相绕组内再流动，或者通过施加一个反向电压用于驱动电流下降。

当续流时，可以使用每相开关电路的两个开关，所述开关轮流导通，以便在产生间隙时在两个开关之间分担负载。

本发明可以以单脉冲或以斩波方式操作，电源可以是交流的或者是直流的。

本发明可以用多种方式实施，下面参照附图以举例方式说明其中的一些方式，其中：

图1表示在IEC 1000中规定的几种设备的谐波电流的限制值；

图2表示一种典型的现有技术的开关磁阻电机；

图3(a)表示施加于图2所示的驱动装置的相绕组的电压；

图3(b)表示合成的相电流；

图3(c)表示在直流线路中的电流波形；

图4应用于负载的一种现有技术的功率因数改进电路；

图5可以应用本发明的一种开关磁阻驱动装置；

图6表示按照现有技术操作的开关磁阻驱动装置的相激励电压和相电流的波形；

图7表示按照现有技术操作的两相电机的相电流和电源电流的波形；

图8表示图7所示的电源电流的谐波分析；

图9表示按照本发明操作的开关磁阻驱动装置的相激励电压和相电流的波形；

图10表示按照本发明操作的两相电机的相电流和电源电流的波形；

图11表示图10的电源电流的谐波分析；以及

图12表示包括本发明的并且由直流电源供电的开关磁阻驱动装置。

下面参照图5示意地表示的开关磁阻驱动系统说明本发明。其中的电动机是两相电机，额定功率为1500W，电动机绕组16由单相110V交流电源30供电。两个电容器C1和C2在正负电源线+V和-V之间串联连接，在两个电容器之间连接有二极管D3。桥式整流器36对正弦电压整流，当上升的整流电压超过这两个并联电容器的电压时，对两个电容器C1/C2开始充电。连接二极管D1，使得从负电源线向着二极管D3的阳极导通，连接二极管D2，使得从二极管D3的阴极向着正电源线导通。一旦上升的整流电压超过并联的C1、C2的电压时，电源线之间的电压基本上跟随整流的平均电压，直到整流电压降低到两个并联的电容器电压以下，此后，并联工作的电容器支持电源线之间的电压。在开关磁阻电机向电源线返回能量时的短的时间间隔期间，电压上升，电容器被串联充电。所有这些在关于填谷电路的文章中都有详细说明，例如“Improved valley-fillpassive power factor correction current shaper approaches IECspecification limits”，PCIM Journal，1998，pp.42-51，Sum，KK。该系统还包括由相绕组16表示的两相开关磁阻电动机，和每相两个开关的变换器相连，并由单相交流电源供电。对于一个相，开关71、72分别被连接在绕组16的每侧和正电源线与负电源线之间。再环流二极管73、74以常规方式和绕组相连。对于另一个相，以类似的结构提供有相关的开关76、77和二极管78、79。

在这种特定情况下，这种驱动装置的额定功率为1350W，额定转速19980转/分，额定交流电压230V。应当理解，本发明不限于这种额定值的两相开关磁阻电动机，也可以使用任何相数的磁阻电机或无刷直流电机。如在上面引用的Stephenson的文章中所述，对于开关磁阻电机，可以利用若干其它的变换器电路，其中包括但不限于双丝单个开关、C堆(C-dump)、H桥等，这些都是本领域的技术人员熟知的。类似地，直流电路不一定是填谷电路，任何能够从主电源供给高次谐波的其它电路都可以使用。也可以使用三相交流电源，可以看出，选择图5所示的子系统仅仅是为了说明而已，而不作为对本发明的限制。

本发明借助于使电源电流波形中的谐波含量被控制的方式使每相的开关71/72和76/77导通，从而控制电机的每相的激励。这是这样实现的：在一相导通期间，对电机绕组施加特定图形的激励脉冲，使得在变换器中的能量流被仔细地控制。相导通时间间隔是相绕组被激励的时间间隔，如图3(a)中的θ_c所示。这是图3所示的相时间间隔的一部分，并由转子极距确定。例如，对于单脉冲方式的开关磁阻电机，而不是已知的一般施加长激励脉冲的开关磁阻电机，激励图形包括较少的脉冲，这些脉冲的宽度和位置被精确地控制。

发现主要是电机的参数决定激励电压中一个或几个间隙的位置和持续时间。因为系统是复杂的，不便于计算或者被精确地模拟。发现对于给定的开关磁阻驱动系统，通过使电机运行并且改变所述间隙的位置和持续时间，直到实现合适地减少线路谐波功率是最实际的办法。在相导通间隔内的合适时刻在激励脉冲中引入所述间隙可以减少和某些谐波相关的能量。据推测，引入所述间隙可以把一部分能量分配给处于和电源相关的带宽之外的更高阶的谐波。

图9表示当本发明被应用于图5的电路时相应于图6的相电流脉冲的波形。对于这种驱动系统，最好的激励图形包括在大约750微秒的导通间隔内利用大约40微秒的恒定的续流间隙分开的被施加电压的3个块。在这些间隙期间。通过使上开关或者下开关截止而使电路工作在续流状态。在实际的装置中，可以合适地改变器件之间的转换，以便分配热负载，如图9所示。在激励间隔结束时，在两个开关关闭之前，具有一个短的续流间隔，使电路处于能量回收方式。激励中的间隙对相电流波形的影响如图9所示。主要影响是在相应于激励间隙的时刻使波形改变。还具有一个从图9不容易注意到的次要影响，即使功率输出稍微下降，这是因为激励的伏秒乘积被稍微减少。这通过使激励脉冲稍微增加或者使其提前容易得到补偿，从而使电机的输出恢复到所需的值。

图10表示被加到一起从而形成电源电流波形的两相电流波形。通过和图7比较可以看出，从总体上看基本上是比较平滑的。图11中给出了电源电流的谐波含量，可以看出现在该驱动装置满足了规定的限制。

在这个特定的例子中，在主激励脉冲中插入了在施加的电压中的两个短暂的中断，从而提供了续流间隔。在其它的装置中，可能提供一个间隔就足够了，而在有的装置中，可能需要3个或多个续流间隔。在一些装置中，可以发现最好通过使两个开关截止而产生中断，而不是如上所述只使一个开关截止。在这种情况下，绕组电流不能续流而在反向电压的作用下快速衰减。不过，在所有这些变形中，共同的特征是在相激励电压中插入一个或多个间隔间隙，以便有效地减少电源电流的谐波电流。

间隙的宽度和位置对于实现这个方法是主要的，这可以通过模拟确定(当能够得到驱动装置的足够精确的电路模型时)，或者对特定的设备通过实验确定。间隙的宽度和位置可以是和速度与/或负载有关的。因而，在一些应用中，把激励图形的参数存储在查阅表中，并在合适的时刻将其读出是合适的。本领域的技术人员容易理解，这可以使用和用于确定主激励脉冲的位置和宽度的触发角的常规方法来实现。

上述的实施例使用2相开关磁阻驱动装置，但是也可以使用较多相数的装置，因为增加相数使得可以用较大的自由度增加中断，从而改变相电流以便达到减少电源谐波的所需的效果。类似地，所示的开关磁阻电机以单脉冲方式操作，但是也可以对以斩波方式操作的电机应用相同的技术而得到相同的有益效果，可以发现在这种情况下最好使用其频率被控制的斩波方案而不使用其频率不被控制的方案。

上述实施例是参照交流电源说明的，因为这是最通用的电源。不过，应当理解，本发明也可以应用于不随时间变化的电源，直流电源，例如电池。图12表示一种用这种电源操作的驱动装置，其中电源30’用理想的直流源32’和阻抗34’表示。选择电容器38的额定值使得其能够吸收施加于驱动装置的电流的交流分量。通过按照上述在激励电压中插入间隙，可以控制电流的谐波含量，并因而使电容器38的大小最佳化。

本领域的技术人员应当理解，不脱离本发明的构思可以对上述方案作出许多改进。因而，上述的几个实施例都是举例而已，并不限制本发明。显然，对于本领域的技术人员，对于上述方法可以进行一些次要的改变而不会使上述操作有重大变化。本发明的范围只由下面的权利要求的范围和构思来限定。

Claims (10)

1.一种在开关磁阻电机的操作中减少给定带宽中的电源电流谐波的方法，所述开关磁阻电机具有至少一个可激励的相绕组以及用于对所述至少一个相绕组施加激励电压从而对其激励的装置，所述方法包括：

除去激励电压，从而在至少一个相绕组的激励中形成至少一个间隙，所述间隙在相导通时间间隔内具有预定的持续时间和预定的位置，使得减少和给定的带宽内的谐波相关的幅值。

2.如权利要求1所述的方法，其中通过突然除去并突然恢复施加于至少一个相绕组上的电压来产生所述至少一个间隙。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中在至少一个间隙期间在至少一个相绕组内的电流能够继续流动。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中用于施加激励电压的装置包括每相开关电路的两个开关，所述方法还包括轮流启动两个开关，以便产生所述至少一个间隙。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中用于施加激励电压的装置包括每相开关电路的两个开关，所述方法还包括基本上同时启动两个开关，以便产生所述至少一个间隙。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中驱动装置以单脉冲方式操作。

7.如权利要求1或2所述的方法，其中驱动装置以斩波方式操作。

8.如权利要求1或2所述的方法，其中激励电压从交流电源得到。

9.如权利要求1或2所述的方法，其中激励电压从直流电源得到。

10.一种用于确定在如权利要求1到9中任一项所述的持续时间的方法，所述方法包括：

通过控制激励电压操作开关磁阻电机；

在所述相导通时间间隔内的预定位置，在激励电压中引入至少一个间隙，所述间隙具有预定的持续时间；以及

改变在相导通的时间间隔内的间隙的持续时间或位置，直到和在给定带宽内的电源电流谐波相关的幅值被减少。

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