CN104953920A - 一种实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构，包括直流电源V、电源滤波电容C、(N+1)对功率开关管和一个N相开关磁阻电机SRM；第n对功率开关管包括功率开关管S_n1和功率开关管S_n2，功率开关管S_n1的发射极和功率开关管S_n2的集电极相接于电接点P_n；直流电源V的正极同时连接功率开关管S_n1的集电极，直流电源V的负极同时连接功率开关管S_n2的发射极，电源滤波电容C并联在直流电源V的正负两极间；开关磁阻电机SRM的第n相绕组的两端分别与电接点P_n和电接点P_(N+1)相接。本发明解决了原有N相桥式功率拓扑结构控制N相开关磁阻电机，无法加载母线电压全压至每相绕组上以及因此带来的效率低，速度相应慢等问题。

Description

一种实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构

技术领域

本发明涉及一种实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构，属于电机制造与控制技术。

背景技术

随着电力电子器件技术、微电子技术和自动控制技术的发展，尤其是稀土永磁材料出口限制所引起的价格上涨，开关磁阻电机的应用将越来越广泛。另一方面，在一些深空、深海、昼夜温差大的特殊作业环境下，永磁体的磁性能不稳定，不利于永磁电机在上述领域的应用。而开关磁阻电机作为一种电励磁电机，其定转子均由普通硅钢片压叠制成双凸极结构，转子上既无永磁体也无绕组，定子上只有集中式绕组线圈，依据“磁阻最小”原理工作。开关磁阻电机制造简单、成本低、结构牢靠、体积小、重量轻、散热方便。在工业调速系统领域中已显示出强大的竞争力，在电动汽车、家用电器、纺织机械、电气传动等方面也有广阔的前景。然而，限制开关磁阻电机调速系统进一步推广应用的一个重要技术瓶颈如图1所示，现有三相开关磁阻电机的不对称桥式功率变换器拓扑每相绕组采用两个主开关、两个缓流二极管，比普通三相异步电机功率变换器多了六个电力缓流二极管。因此，增加了开关磁阻电机功率变换器的复杂性和成本。此外，开关磁阻电机功率变换器尚无一个统一的标准，无法大规模生产，这些都大大增加了开关磁阻电机功率变换器的开发成本与硬件成本。近年来，有学者提出如图2所示的功率拓扑变换器来代替不对称桥式功率变换器，解决了传统三相开关磁阻电机不对称桥式功率变换器功率拓扑结构复杂、成本高、无统一标准和无法大规模生产的缺点。然而，采用图2所示的功率拓扑结构控制开关磁阻电机亦会带来另外一些缺点，例如只可以加载一半母线电压至开关磁阻电机的每相绕组上，导致电流上升率di/dt变小、速度响应受限制、过载能力差、效率低等缺点。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构，以代替原来三相桥式功率拓扑结构，使基于双极性控制的开关磁阻电机功率变换器可以实现加载母线电压全压至每相绕组上。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构，包括直流电源V、电源滤波电容C、(N+1)对功率开关管和一个N相开关磁阻电机SRM；第n对功率开关管包括功率开关管S_n1和功率开关管S_n2，功率开关管S_n1的发射极和功率开关管S_n2的集电极相接于电接点P_n，n＝1,2,…,N,(N+1)；直流电源V的正极同时连接功率开关管S_n1的集电极，直流电源V的负极同时连接功率开关管S_n2的发射极，电源滤波电容C并联在直流电源V的正负两极间；开关磁阻电机SRM的第n相绕组的两端分别与电接点P_n和电接点P_(N+1)相接。

本发明的开关磁阻电机功率拓扑结构，能够实现全压双极性控制需要的(N+1)个桥臂。此时N相电机可以工作在全压双极性电流控制方式下，而(N+1)相电机亦可以工作在半压双极性电流控制方式下。

所述开关磁阻电机SRM为内转子结构或外转子结构。

所述开关磁阻电机SRM为三相以上开关磁阻电机SRM，即N＝3,4,5,…；以三相开关磁阻电机SRM为例，即N＝3；开关磁阻电机功率拓扑结构既可以用于三相全压双极性控制，也可以用于四相半压双极性控制；当其中任一桥臂发生故障，余下三个桥臂可实现三相半压双极性控制。

所述开关磁阻电机SRM为任意定转子齿槽配合、任意工作模式的开关磁阻电机。

本发明的开关磁阻电机功率拓扑结构既可以用于电动控制模式，又可以用于发电控制模式。

有益效果：本发明提供的实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构，相对于现有技术，具有如下优势：1、与图2所示三相桥式功率拓扑结构只可以加载一半母线电压至开关磁阻电机每相绕组上相比，本发明提出了一种可实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构，可以实现加载全部的母线电压到每相绕组上；2、本发明所提功率变换拓扑结构既可以实现N相开关磁阻电机的全压双极性控制，又可以实现(N+1)相开关磁阻电机半压双极性控制，具有高度的灵活性和多功能性；3、本发明相比于图1所示不对称桥式开关磁阻电机功率拓扑结构，由于市场上单相桥臂已实现了大规模化生产，降低了开关磁阻电机功率变换器的成本；4、若本发明的功率拓扑结构其中任一桥臂发生故障，余下三个桥臂可实现三相半压双极性控制，相比与传统的开关磁阻电机功率拓扑，具有高可靠性。

附图说明

图1为传统不对称桥式电路功率拓扑结构；

图2为三相桥式电路功率拓扑结构；

图3为实施例提供的一种实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构；

图4为实施例中A相绕组工作在正向励磁状态；

图5为实施例中A相绕组工作在续流状态；

图6为实施例中A相绕组工作在反向励磁状态；

图7为实施例中B相绕组工作在正向励磁状态；

图8为实施例中B相绕组工作在续流状态；

图9为实施例中B相绕组工作在反向励磁状态；

图10为实施例中C相绕组工作在正向励磁状态；

图11为实施例中C相绕组工作在续流状态；

图12为实施例中C相绕组工作在反向励磁状态；

图13为实施例中四相开关磁阻电机工作在半压双极性电流控制下；

图14为实施例发生故障时电机的工作状况连线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图3所示为一种实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构，包括直流电源V、电源滤波电容C、8个功率开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8和一个三相开关磁阻电机SRM；直流供电电源V的正极同时连接功率开关管S1、S2、S3、S4的集电极，供电电源V的负极同时连接功率开关管S5、S6、S7、S8的发射极，电源滤波电容C并联连接在供电电源V的正负两极，开关磁阻电机SRM的A相绕组一端同时连接在功率开关管S1的发射极和功率开关管S5的集电极，开关磁阻电机SRM的A相绕组另一端同时连接在功率开关管S4的发射极和功率开关管S8的集电极；开关磁阻电机SRM的B相绕组一端同时连接在功率开关管S2的发射极和功率开关管S6的集电极，开关磁阻电机SRM的B相绕组另一端同时连接在功率开关管S4的发射极和功率开关管S8的集电极；开关磁阻电机SRM的C相绕组一端同时连接功率开关管S3的发射极和功率开关管S7的集电极，开关磁阻电机SRM的C相绕组另一端同时连接在功率开关管S4的发射极和功率开关管S8的集电极。

上述开关磁阻电机功率拓扑结构的工作原理是：开关磁阻电机SRM由双极性电流供电，即通过开关磁阻电机SRM绕组的励磁电流即可以为正亦可以为负。与传统的不对称桥式功率拓扑结构相比，本案结构亦可以反向励磁。

当功率开关管S1、S8导通时，开关磁阻电机SRM的A相绕组正向励磁，电流流向如图4所示。当功率开关管S1、S8关断时，开关磁阻电机SRM的A相绕组电路如图5所示。当功率开关管S4、S5导通时，开关磁阻电机SRM的A相绕组反向励磁，电流流向如图6所示，此时电流方向与正向励磁时电流流向相反。

当功率开关管S2、S8导通时，开关磁阻电机SRM的B相绕组正向励磁，电流流向如图7所示。当功率开关管S2、S8关断时，开关磁阻电机SRM的B相绕组电路如图8所示。当功率开关管S4、S6导通时，开关磁阻电机SRM的B相绕组反向励磁，电流流向如图9所示，此时电流方向与正向励磁时电流流向相反。

当功率开关管S3、S8导通时，开关磁阻电机SRM的C相绕组正向励磁，电流流向如图10所示。当功率开关管S3、S8关断时，开关磁阻电机SRM的C相绕组电路如图11所示。当功率开关管S4、S7导通时，开关磁阻电机SRM的C相绕组反向励磁，电流流向如图12所示，此时电流方向与正向励磁时电流流向相反。

本案亦可以用于四相开关磁阻电机，此时电机的接线如图13所示，需要说明的是此时开关磁阻电机SRM也运行在双极性电流下，但每相绕组电压只有直流电压源V的一半。当电机工作时有两相绕组通电且电流极性相反，每两相绕组轮流进行励磁，绕组励磁的顺序为A+B->B-C+>C+D->D-A+>A+B->B-C+>C+D->D-A+….

当S1、S5所在桥臂，S2、S6所在桥臂，S3、S7所在桥臂，S4、S8所在桥臂中任何一桥臂放生故障时，电机可利用余下三个桥臂工作在三相半压双极性控制下工作，如图14所示。

使用如图3所示的一种可以实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑，可以代替原来三相桥式功率拓扑结构，使基于双极性控制的开关磁阻电机功率变换器可以实现加载母线电压全压至每相绕组上，与图2所示的三相桥式电路相比具有更好的性能，同时由于市场上单相桥臂已实现大规模化生产，与如图1所示的传统不对称桥式功率拓扑相比，具有更低的成本优势。本案的全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑亦可以用于四相开关磁阻电机的半压双极性控制，具有高度灵活性和多功能性。此外，当本案的功率变换器任一桥臂发生故障时，利用余下的三个桥臂可以实现三相半压双极性控制，具有高可靠性。本发明思想必将进一步推动开关磁阻电机在调速驱动系统中的应用，提高其市场竞争力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构，其特征在于：包括直流电源V、电源滤波电容C、(N+1)对功率开关管和一个N相开关磁阻电机SRM；第n对功率开关管包括功率开关管S_n1和功率开关管S_n2，功率开关管S_n1的发射极和功率开关管S_n2的集电极相接于电接点P_n，n＝1,2,…,N,(N+1)；直流电源V的正极同时连接功率开关管S_n1的集电极，直流电源V的负极同时连接功率开关管S_n2的发射极，电源滤波电容C并联在直流电源V的正负两极间；开关磁阻电机SRM的第n相绕组的两端分别与电接点P_n和电接点P_(N+1)相接。

2.根据权利要求1所述的实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构，其特征在于：所述开关磁阻电机SRM为内转子结构或外转子结构。

3.根据权利要求1所述的实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构，其特征在于：所述开关磁阻电机SRM为三相以上开关磁阻电机SRM，即N＝3,4,5,…。

4.根据权利要求1所述的实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构，其特征在于：该拓扑结构可以用作N相电机工作在全压双极性电流控制方式下，也可以用作(N+1)相电机工作在半压双极性电流控制方式下。

5.根据权利要求1所述的一种实现全压双极性控制的开关磁阻电机功率拓扑结构，其特征在于：当该拓扑结构的其中任一桥臂发生故障，余下(N+1)个桥臂可实现N相半压双极性控制。