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CN113131804B - 一种开关磁阻电机用三开关变换器拓扑及控制策略 - Google Patents

一种开关磁阻电机用三开关变换器拓扑及控制策略 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机技术领域，提出了一种开关磁阻电机用三开关变换器拓扑及控制策略。所提出的三开关变换器拓扑能够实现电流的双极性运行，具有正向励磁模式、正向上管零电压续流模式、正向下管零电压续流模式、正向负电压续流模式、反向励磁模式、反向上管零电压续流模式、反向下管零电压续流模式和反向负电压续流模式等8种运行模式。同时所提的磁路平衡控制方法能够消除偶数相开关磁阻电机磁路不对称的现象，实现磁路的平衡控制，提高系统运行效率。相比于常规的开关磁阻电机驱动用不对称半桥功率变换器，所提功率变换器能够减少功率半导体器件使用数目，同时无需增加电感和电容等无源器件，具有良好的工程应用价值。

Description

一种开关磁阻电机用三开关变换器拓扑及控制策略
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三开关变换器拓扑及控制策略。
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，以及上述缺点带来的可靠性问题成为了阻碍开关磁阻电机系统大规模应用和发展的主要障碍。为了克服上述缺点，需要探索新型低成本高可靠性的功率变换器拓扑。现有的研究中低成本变换器拓扑主要包括米勒变换器、m-switch变换器、C-dump变换器和R-dump变换器等，但这些拓扑往往带来控制性能和容错能力的下降。例如m-switch变换器能够降低功率器件使用数目，但是容错能力相比于不对称半桥功率变换器有明显程度地下降。同时现有的开关磁阻电机用容错型功率变换器往往需要增加功率半导体器件，尤其是分布式容错功率变换器拓扑每一极需要两个可控开关管和两个二极管，极大程度增加了系统成本。与此同时，现有的功率变换器拓扑无法解决偶数相开关磁阻电机磁路不平衡的问题。为此为了提高系统的运行性能，亟需研究一种低成本高可靠性的高性能功率变换器拓扑。
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一种开关磁阻电机用三开关变换器拓扑及控制策略，以降低元器件使用数目和系统成本，提高容错能力、远行效率和功率密度，实现磁路的平衡运行。
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三开关变换器拓扑及控制策略。所提出的三开关变换器中每一个桥臂由三个内置二极管的可控开关管组成，每一相绕组分别连接在相邻桥臂的上下节点上，能够驱动任意相开关磁阻电机。
工作原理说明：所提出的三开关变换器拓扑能够实现电流的双极性运行，具有正向励磁模式、正向上管零电压续流模式、正向下管零电压续流模式、正向负电压续流模式、反向励磁模式、反向上管零电压续流模式、反向下管零电压续流模式和反向负电压续流模式等8种运行模式。将一个桥臂三个开关管依据位置命名为上管、中间管和下管，上管的寄生二极管命名为上二极管，中间管的寄生二极管命名为中间二极管，下管的寄生二极管命名为下二极管。当前桥臂为第k个桥臂，下一桥臂为第k+1个桥臂，上一桥臂为第k-1个桥臂。若某相绕组两端分别连接第k个桥臂的上节点和第k+1个桥臂的下节点，则在正向励磁模式下需要开通第k桥臂的上管和第k+1桥臂的下管。例如A相正向励磁时需要开通第1个桥臂的上管S1和第2个桥臂下管S6，通过电源向A相绕组励磁。在反向励磁模式下，需要开通第k个桥臂的中间管和下管，以及第k+1个桥臂的上管和中间管。例如A相反向励磁时需要开通第1个桥臂的中间管S2、下管S3、第2个桥臂的上管S4和中间管S5。在正向上管零电压续流时，需要开通第k个桥臂的上管，同时导通第k+1个桥臂上管的寄生二极管和中间管的寄生二极管。例如A相正向上管零电压续流时，需要开通第1个桥臂的上管S1，同时导通第2个桥臂上管S4的寄生二极管D4和中间管S5的寄生二极管D5。在反向上管零电压续流时，需要导通第k个桥臂的上管的寄生二极管，同时开通第k+1个桥臂上管和中间管。例如A相反向上管零电压续流时，需要导通第1个桥臂的上管S1的寄生二极管D1，同时开通第2个桥臂上管S4和中间管S5。在正向下管零电压续流时，需要开通第k个桥臂中间管的寄生二极管和下管的寄生二极管，同时导通第k+1个桥臂下管。例如A相正向下管零电压续流时，需要导通通第1个桥臂中间管S2的寄生二极管D2和下管S3的寄生二极管D3，同时导通第2个桥臂下管S6。在反向下管零电压续流时，需要导通第k个桥臂的中间管和下管，同时开通第k+1个桥臂下管的寄生二极管。例如A相反向下管零电压续流时，需要导通第1个桥臂的中间管S2和下管S3，同时开通第2个桥臂下管S6的寄生二极管D6。在正向负电压续流时，需要导通第k个桥臂中间管的寄生二极管和下管的寄生二极管，同时导通第k+1个桥臂上管的寄生二极管和中间管的寄生二极管。例如A相正向负电压续流时，需要导通通第1个桥臂中间管S2的寄生二极管D2和下管S3的寄生二极管D3，同时导通第2个桥臂上管S4的寄生二极管D4和中间管S5的寄生二极管D5。在反向负电压续流时，需要导通第k个桥臂上管的寄生二极管，同时开通第k+1个桥臂下管的寄生二极管。例如A相反向下管零电压续流时，需要导通第1个桥臂的上管S1的寄生二极管D1，同时开通第2个桥臂下管S6的寄生二极管D6。
通过8种运行模式的有效组合，能够实现电流的有序双极性运行，从而能够消除偶数相开关磁阻电机磁路不对称的现象，实现磁路的平衡控制，降低系统转矩脉动。同时所提的磁路平衡控制方法能够降低相电流频率，从而降低铁耗，提高系统运行效率。以四相开关磁阻电机为例，若A相、B相、C相和D相有序通入单极性电流，则此时定子极磁场分布有两种情况NNNNSSSS或者NSNSSNSN。对于第一种情况一周会出现3个长磁路和1个短磁路，对于第二种情况一周会出现1个长磁路和3个短磁路。采用所提出的三开关变换器，将A相、B相、C相和D相有序通入双极性电流，所通电流顺序为A+、B+、C+D+A-B-C-D-，此时定子极磁场分布为NSNSNSNS，均为短磁路运行，实现磁场的对称分布，因此该方法称为磁路平衡控制方法。
所提变换器能够提供多种励磁模式和两相串联导通的通道，从而能够在系统开路故障发生后，保证故障相的部分励磁，提升系统的容错能力和可靠性；而发生开关管短路故障后，可以通过手动将短路故障转化为开路故障；例如A相下管S3发生开路故障后，可以开通S2、S4、S5、S11和S12使D相和A相串联导通；而A相上管S1发生短路故障后，可以手动切除S1，将短路故障转化为开路故障。
本发明的有益效果为：相比于常规的开关磁阻电机驱动用不对称半桥功率变换器，所提功率变换器能够减少功率半导体器件使用数目，同时无需增加电感和电容等无源器件，从而能够降低系统成本和体积，提高功率密度、效率和容错能力，降低转矩脉动。
附图说明
图1是本发明实施例1的三开关变换器拓扑结构图。
图2是本发明实施例1的正向励磁模式电流路径示意图。
图3是本发明实施例1的反向励磁模式电流路径示意图。
图4是本发明实施例1的正向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的反向上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的正向下管零电压续流模式电流路径示意图。
图7是本发明实施例1的反向下管零电压续流模式电流路径示意图。
图8是本发明实施例1的正向负电压续流模式电流路径示意图。
图9是本发明实施例1的反向负电压续流模式电流路径示意图。
图10是本发明实施例1的容错运行电流路径示意图。
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三开关变换器拓扑及磁路平衡方法。
图1为根据本发明实施例的四相开关磁阻电机用三开关变换器拓扑结构图。如图1所示，本发明实施例的四相开关磁阻电机用三开关变换器拓扑结构特点在于每一个桥臂由三个内置二极管的可控开关管组成，每一相绕组分别连接在相邻桥臂的上下节点上。A相绕组La连接在第一个桥臂的上节点和第二个桥臂的下节点，B相绕组Lb连接在第二个桥臂的上节点和第三个桥臂的下节点，C相绕组Lc连接在第三个桥臂的上节点和第四个桥臂的下节点，D相绕组Ld连接在第四个桥臂的上节点和第一个桥臂的下节点。所提出的三开关变换器拓扑能够实现电流的双极性运行，具有正向励磁模式、正向上管零电压续流模式、正向下管零电压续流模式、正向负电压续流模式、反向励磁模式、反向上管零电压续流模式、反向下管零电压续流模式和反向负电压续流模式等8种运行模式。将一个桥臂三个开关管依据位置命名为上管、中间管和下管，上管的寄生二极管命名为上二极管，中间管的寄生二极管为中间二极管，下管的寄生二极管命名为下二极管。当前桥臂为第k个桥臂，下一桥臂为第k+1个桥臂，上一桥臂为第k-1个桥臂。若某相绕组两端分别连接第k个桥臂的上节点和第k+1个桥臂的下节点，则在正向励磁模式下需要开通第k桥臂的上管和第k+1桥臂的下管。例如A相正向励磁时需要开通第1个桥臂的上管S1和第2个桥臂下管S6，通过电源向A相绕组正向励磁，如图2所示。在反向励磁模式下，需要开通第k个桥臂的中间管和下管，以及第k+1个桥臂的上管和中间管。例如A相反向励磁时需要开通第1个桥臂的中间管S2、下管S3、第2个桥臂的上管S4和中间管S5，如图3所示。在正向上管零电压续流时，需要开通第k个桥臂的上管，同时导通第k+1个桥臂上管的寄生二极管和中间管的寄生二极管。例如A相正向上管零电压续流时，需要开通第1个桥臂的上管S1，同时导通第2个桥臂上管S4的寄生二极管D4和中间管S5的寄生二极管D5，如图4所示。在反向上管零电压续流时，需要导通第k个桥臂的上管的寄生二极管，同时开通第k+1个桥臂上管和中间管。例如A相反向上管零电压续流时，需要导通第1个桥臂的上管S1的寄生二极管D1，同时开通第2个桥臂上管S4和中间管S5，如图5所示。在正向下管零电压续流时，需要开通第k个桥臂中间管的寄生二极管和下管的寄生二极管，同时导通第k+1个桥臂下管。例如A相正向下管零电压续流时，需要导通通第1个桥臂中间管S2的寄生二极管D2和下管S3的寄生二极管D3，同时导通第2个桥臂下管S6，如图6所示。在反向下管零电压续流时，需要导通第k个桥臂的中间管和下管，同时开通第k+1个桥臂下管的寄生二极管。例如A相反向下管零电压续流时，需要导通第1个桥臂的中间管S2和下管S3，同时开通第2个桥臂下管S6的寄生二极管D6，如图7所示。在正向负电压续流时，需要导通第k个桥臂中间管的寄生二极管和下管的寄生二极管，同时导通第k+1个桥臂上管的寄生二极管和中间管的寄生二极管。例如A相正向负电压续流时，需要导通通第1个桥臂中间管S2的寄生二极管D2和下管S3的寄生二极管D3，同时导通第2个桥臂上管S4的寄生二极管D4和中间管S5的寄生二极管D5，如图8所示。在反向负电压续流时，需要导通第k个桥臂上管的寄生二极管，同时开通第k+1个桥臂下管的寄生二极管。例如A相反向下管零电压续流时，需要导通第1个桥臂的上管S1的寄生二极管D1，同时开通第2个桥臂下管S6的寄生二极管D6，如图9所示。
通过8种运行模式的有效组合，能够实现电流的有序双极性运行，从而能够消除偶数相开关磁阻电机磁路不对称的现象，实现磁路的平衡控制，降低系统转矩脉动。同时所提的磁路平衡控制方法能够降低相电流频率，从而降低铁耗，提高系统运行效率。以四相开关磁阻电机为例，若A相、B相、C相和D相有序通入单极性电流，则此时定子极磁场分布有两种情况NNNNSSSS或者NSNSSNSN。对于第一种情况一周会出现3个长磁路和1个短磁路，对于第二种情况一周会出现1个长磁路和3个短磁路。采用所提出的三开关变换器，将A相、B相、C相和D相有序通入双极性电流，所通电流顺序为A+、B+、C+D+A-B-C-D-，此时定子极磁场分布为NSNSNSNS，均为短磁路运行，实现磁场的对称分布，因此该方法称为磁路平衡控制方法。
所提变换器能够提供多种励磁模式和两相串联导通的通道，从而能够在系统开路故障发生后，保证故障相的部分励磁，提升系统的容错能力和可靠性；而发生开关管短路故障后，可以通过手动将短路故障转化为开路故障；例如A相上管S1发生开路故障后，可以开通S10和S6使D相和A相串联导通；而A相上管S1发生短路故障后，可以手动切除S1，将短路故障转化为开路故障。
所提变换器能够提供多种励磁模式和两相串联导通的通道，从而能够在系统开路故障发生后，保证故障相的部分励磁，提升系统的容错能力和可靠性；而发生开关管短路故障后，可以通过手动将短路故障转化为开路故障；例如A相下管S3发生开路故障后，可以开通S2、S4、S5、S11和S12使D相和A相串联导通，如图10所示；而A相上管S1发生短路故障后，可以手动切除S1，将短路故障转化为开路故障。
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 (2)

1.一种开关磁阻电机用三开关变换器拓扑电路的控制方法，其特征在于：拓扑电路每一个桥臂由三个内置二极管的可控开关管S1、S2和S3依次串联组成，每一相绕组分别连接在相邻桥臂的上下节点上，其中上节点为S1和S2交点，下节点为S2和S3的交点；所述控制方法包括：所述拓扑电路能够提供多种励磁模式和两相串联导通的通道，能够在某相开关管发生开路故障后，使故障相与另一相绕组串联导通，保证故障相的部分励磁；在某相开关管发生短路故障后，通过手动切除故障开关管，将短路故障转化为开路故障。
2.一种如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：具有正向励磁模式、正向上管零电压续流模式、正向下管零电压续流模式、正向负电压续流模式、反向励磁模式、反向上管零电压续流模式、反向下管零电压续流模式和反向负电压续流模式8种运行模式；通过8种运行模式的有效组合，能够实现电流的有序双极性运行，从而能够消除偶数相开关磁阻电机磁路不对称的现象，实现磁路的平衡控制。
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