CN1266823C - 三相开关磁阻电动机调速系统中功率变换器的控制方法 - Google Patents
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Abstract
三相开关磁阻电动机调速系统中功率变换器的控制方法，其系统中由六只功率管构成的三相逆变桥功率变换器，其特征是在三相逆变桥功率变换器中，功率管V1、V2、V3、V4、V5、V6以电角度720°为周期分为12个通电状态，导通顺序为V1V6-V1-V1V5-V5-V3V5-V3-V3V4-V4-V2V4-V2-V2V6-V6，周而复始；12个通电状态采用对称不均匀时间分布，以相邻一组双管导通和一只单管导通构成一个状态组，该状态组通电时间为120°电角度，双管导通时间大于单管导通时间。本发明使三相开关磁阻电动机的性能得到很好的发挥。
Description
技术领域：
本发明涉及电机调速系统中功率变换器的控制方法，更具体地说是开关磁阻电机调速系统中功率变换器的控制方法。
背景技术：
开关磁阻电动机调速系统(Switched Reluctance Drive，简称SRD)是80年代中期发展起来的新型交流调速系统，它融开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor，简称SR电动机)与电力电子技术、控制技术于一体，兼有异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统的优点，应用在牵引运输、通用工业、航空工业和家用电器等各个领域，显示出强大的市场竞争力。
磁阻电动机不能像笼型感应电动机那样直接接入电网作稳态运行，而必须与驱动电源一同使用。从功能部件上分，SRD由磁阻电动机SRM、位置传感器、功率变换器和控制电路四部分组成。其基本框图如附图8所示。
功率变换器由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电，向磁阻电动机提供旋转所需的能量。控制电路综合处理速度指令、速度反馈信号及电流传感器、位置传感器的反馈信息，控制功率变换器中开关管的工作状态，实现对磁阻电动机运行状态的控制。
开关磁阻电动机单位体积出力明显优于异步电动机，而且其结构简单坚固，转子上没有绕组，甚至比以结构简单著称的笼型异步电动机还要简单，且转子机械强度极高，可以超高速运转，允许温升高，尤其适合在恶劣的环境条件下工作。
由于是磁阻性质的电磁转矩，开关磁阻电动机SR的转向与相绕组的电流方向无关，仅取决于相绕组通电的顺序，即只需单方向绕组电流，因此，附图1(a)所示的不对称半桥线路是SRD的常用功率变换器。电动机每相有两个功率开关管和两个续流二极管，绕组位于两个开关管之间，根本上避免了功率开关管直通短路现象，以此为功率变换器的SRD在国内已比较成熟。
但这种功率变换器造成SR电动机运行性能不高，如转矩脉动大、噪声大，并且功率变换器与SR电动机的接线较多，目前应用比较多的三相开关磁阻电机调速系统中SR电动机与此功率变换器就需要6根连接线。而相应的异步电动机和直流无刷电动机调速系统中电动机与功率边变换器的连接线则只需3根。因此若想在某些场合以SR电动机取代已应用比较成熟的异步电动机和直流无刷电动机，SR电动机与功率变换器的连接线问题成为不得不考虑的问题，尤其对于某些手持式电动工具，电动机与驱动电源通过长电缆连接，附图1(a)所示的不对称半桥线路造成过多的连接线成为SR电动机应用的主要障碍。
作为调速系统中的驱动电源，附图1(b)所示的三相逆变桥功率变换器目前多应用在异步电动机和直流无刷电动机调速系统中。关于控制方式，具体应用中，电路中的功率管V1-V6通常采用以下两种通电顺序：
1、以电角度360°为周期，导通顺序为V1V5-V2V6-V3V4，各个状态导通时间均匀分布，3个通电状态各占120°电角度，周而复始。V1V5表示附图1(b)中的功率管V1和V5同时导通，其它4个功率管截止，此时该功率电路经功率管V1、电动机a相绕组、电动机b相绕组和功率管V5形成回路，电动机a相和b相绕组的励磁电流与电动机转子相作用，产生令电动机转子旋转的电磁转矩。
2、考虑到V1V5切换到V2V6时，电动机b相绕组的励磁电流的流向要进行相反的变化，在其它通电状态切换时，其它两相绕组也存在该问题，在实际电路控制中必须考虑电动机绕组的电流换向和电流衰减的过程，即换流和续流问题。因此三相逆变桥回路还有一种通电方式，其导通顺序为V1V6-V1V5-V3V5-V3V4-V2V4-V2V6，各个状态导通时间均匀分布，这6个状态各占60°电角度。
通过理论计算和实践检验，将上述两种通电方式直接应用于以三相逆变桥为功率变换器的三相开关磁阻电动机调速系统，SR电动机的应用效果与采用不对称半桥功率变换器的SR电动机的应用效果相比有很大的差距。
发明内容：
本发明是为解决上述现有技术所存在的问题，提供一种以三相逆变桥为功率变换器的三相开关磁阻电动机调速系统中的功率变换器的控制方法，为开关磁阻电动机在某些场合中能直接取代已有的异步电动机和直流无刷电动机创造条件，使三相开关磁阻电动机的性能得到很好的发挥。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
本发明系统采用由六只功率管V1、V4、V2、V5、V3、V6构成的三相逆变桥功率变换器，每只功率管内部自带反向并联的续流二极管；系统以三相开关磁阻电动机作为执行元件，电动机的三相绕组尾尾相连构成三相星型接法，三相绕组首端分别与三相逆变桥的三个桥臂相连。
本发明应用在所述系统中的功率变换器的控制方法的特点是：在所述三相逆变桥功率变换器中，功率管V1、V2、V3、V4、V5、V6以电角度720°为周期，分为12个通电状态，导通顺序为V1V6-V1-V1V5-V5-V3V5-V3-V3V4-V4-V2V4-V2-V2V6-V6，周而复始；所述12个通电状态采用对称不均匀时间分布，以相邻一组双管导通和一只单管导通构成一个状态组，该状态组通电时间为120°电角度，并且双管导通时间大于单管导通时间。
与已有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明解决了采用不对称半桥功率变换器电动机电源线过多的问题，电动机与功率变换器连线仅为3根，与异步电动机和直流无刷电动机调速系统接线形式相同，可直接取代异步电动机和直流无刷电动机调速系统。
2、本发明通过采用适当的通电方式，在输出功率相等的条件下，应用于本发明中的SR电动机与应用于不对称半桥功率变换器的SR电动机相比，定子绕组匝数可大幅度减少，可进一步提高SR电动机的单位体积出力。
3、本发明采用电动机两相励磁方式，与SR电动机应用于不对称半桥功率变换器相比，可降低SR电动机的转矩脉动和噪声，提高SR电动机的运行性能。
4、本发明针对功率变换器的特定控制方式是利用通电两相互感的变化产生转矩，迭加于每相自感变化产生的转矩之上，与已有技术中应用在异步电动机和直流无刷电动机调速系统中的三相逆变桥功率变换器的两种通电顺序相比，本发明的通电方式可以使三相SR电动机获得的平均转矩最大，同时也改善了SR电机绕组的换流过程。两相的互感作用也能够实现机电能量的平稳转换，有效降低转矩脉动和噪声。
附图说明：
图1(a)为已有技术中应用在SRD中不对称半桥式功率变换器示意图。
图1(b)为已有技术中三相逆变桥功率变换器在异步电动机或直流无刷电动机调速系统中的应用示意图。
图2为本发明三相开关磁阻电机绕组结构示意图。
图3为本发明功率变换器与三相磁阻电动机绕组连接原理图。
图4为本发明中V1V6-V1-V1V5三个通电状态的电流流向示意图。
图4(a)为V1和V6导通时的电流流向示意图。
图4(b)为V1导通时的电流流向示意图。
图4(c)为V1和V5导通时的电流流向示意图。
图5为本发明控制电路原理图。
图6为本发明功率管驱动电路原理图。
图7为本发明位置传感器检测电路原理图。
图8为开关磁阻电机调速系统构成图。
具体实施方式：
参见图3，本实施例采用三相开关磁阻电动机，并设置三相逆变桥功率变换器。
如图2、图3所示，开关磁阻电动机的定、转子齿数配置比为12/8，因此该电动机每45°机械角度等于360°电角度。图中示出，该电动机每相绕组有两条支路，每条支路的两个绕组反向串联，各相尾尾相连构成三相星型接法。如在A相中，以绕组a1和a1’反向串联构成一条支路，以绕组a2和a2’反向串联构成另一条支路。B相和C相也为同样的结构设置。
图3所示，功率变换器采用由六只功率管V1、V4、V2、V5、V3、V6构成的三相逆变桥功率变换器，每只功率管内部自带反向并联的续流二极管；三相逆变桥臂分别与三相开关磁阻电动机的三相绕组首端相连。
在三相逆变桥功率变换器中，功率管V1、V2、V3、V4、V5、V6以电角度720°为周期，分为12个通电状态，导通顺序为V1V6-V1-V1V5-V5-V3V5-V3-V3V4-V4-V2V4-V2-V2V6-V6，周而复始。12个通电状态采用对称不均匀时间分布，以相邻一组双管导通和一只单管导通构成一个状态组，该状态组通电时间为120°电角度，并且双管导通时间大于单管导通时间。如：V1V6的通电时间与V1的通电时间和为120°电角度，而V1V6的通电时间可以为80°～100°电角度，V1通电时间为40°～20°电角度。
图4示出了本发明中V1V6-V1-V1V5三个通电状态的电流流向，其它通电状态的电流流向依此类推。
图4(a)为V1和V6导通时的电流流向。此时电流流动方向为直流电源Vs正-功率管V1-电动机A相绕组-电动机C相绕组-功率管V6-直流电源Vs负；
图4(b)为V1导通时的电流流向图，由于V6关断，电动机C相绕组通过V3内部反并的二极管D3续流，C相绕组储存的能量转移到a相绕组，电流流动方向为电动机C相绕组-功率管V3内部反并的二极管D3-功率管V1-电动机A相绕组-电动机C相绕组；
图4(c)为V1和V5导通时的电流流向图，此时电流流动方向为直流电源Vs正-功率管V1-电动机A相绕组-电动机B相绕组-功率管V5-直流电源Vs负。
以上控制方式是利用通电两相互感的变化产生转矩，迭加于每相自感变化产生的转矩之上，这种通电方式可以使三相SR电动机获得的平均转矩最大，同时也改善了SR电机绕组的换流过程。两相的互感作用也能够实现机电能量的平稳转换，有效降低转矩脉动和噪声。
具体实施中，作为调速系统中的驱动电源系统，由功率变换器、控制电路和位置传感器三部分组成。功率变换器与电动机绕组的连接方式见附图3。V1-V6各功率管采用IGBT构成三相逆变桥回路。
控制电路如附图5所示，单片机AT89C52通过P0口采集位置传感器信号，根据其信号，计算出对应的功率管驱动信号AH～CL。同时通过内部定时器发出周期固定、占空比可调的PWM调制波。外部中断INTO接入功率变换器的过流保护信号GL，当发生过流时，减小PWM的占空比。
附图6为功率管IGBT驱动部分电路。图中GAL16V8为可编程逻辑器件，其输入端接入单片机输出的功率开关管驱动信号AH～CL、PWM信号及功率变换器的过流信号GL，输出为带调制的驱动信号。当发生过流时，可以迅速关断驱动信号，实现过流保护。为避免强电信号干扰控制回路，同时考虑到功率开关管上下桥的不共地驱动，在控制回路和驱动回路间通过高速光耦6N139进行光电隔离，将6N139副边的信号通过接成施密特电路形式的NE555，即形成IGBT的驱动信号。
如附图7所示，系统中采用开关型霍尔元件UGS3020作为位置传感器。通过与单片机电源隔离的12V电源为位置传感器提供电源，高速光耦6N137的3脚接霍尔元件的输出管脚，将电动机的位置信号传递给单片机。
Claims (1)
1、三相开关磁阻电动机调速系统中功率变换器的控制方法，其系统采用由六只功率管V1、V4、V2、V5、V3、V6构成的三相逆变桥功率变换器，每只功率管内部自带反向并联的续流二极管；调速系统以三相开关磁阻电动机作为执行元件，所述电动机的三相绕组尾尾相连构成三相星型接法，三相绕组首端分别与三相逆变桥的三个桥臂相连，其特征是在所述三相逆变桥功率变换器中，功率管V1、V2、V3、V4、V5、V6以电角度720°为周期，分为12个通电状态，导通顺序为V1V6-V1-V1V5-V5-V3V5-V3-V3V4-V4-V2V4-V2-V2V6-V6，周而复始；所述12个通电状态采用对称不均匀时间分布，以相邻一组双管导通和一只单管导通构成一个状态组，该状态组通电时间为120°电角度，并且双管导通时间大于单管导通时间。
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