CN201171192Y - 一种新型3相开关磁阻电动机调速装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种3相开关磁阻电动机调速装置。涉及电动机调速装置中的绕组接法、功率逆变电路和控制方式领域。所述装置包括电动机和功率逆变电路，电动机为3相开关磁阻电动机，3相开关磁阻电动机绕组的3相输入端，直接连到功率逆变电路的3相输出端上；功率逆变电路是通用的三相桥式逆变电路，由六只功率开关构成，每相推拉输出，每个功率开关上皆反向地并联着续流二极管，功率开关关断时，通过相串联的二极管续流。本实用新型中功率逆变电路与电动机绕组间连线只有三根，在用双单元或六单元功率开关组件制作逆变电路时，组件的额定能力能得到充分的利用。其电路设计合理，实现简单，连接方便，其调速精度高，电动机转矩平稳。

Description

一种新型3相开关磁阻电动机调速装置

技术领域

本实用新型涉及一种电动机调速装置，尤其涉及一种3相开关磁阻电动机调速装置的绕组接法、功率逆变电路和控制方式。

技术背景

3相开关磁阻电动机调速系统已得到广泛的应用。电动机定/转子铁芯的凸极在圆周上均布，凸极数一般为12/8极，定子凸极的相弧角为π/(12)。每相绕组由4个均布的凸极上线圈连成，通过电流时，4个凸极的磁性呈N、S间隔排列。转子凸极的极弧角稍大于π/(12)，极距τ＝π/4。

图1示为3相12/8极开关磁阻电动机铁芯的示意图。图中画出了串联接法的a相绕组，头尾端为A₁、A₂，b和c相绕组类似，头尾端分别为B₁、B₂和C₁、C₂。

3相开关磁阻电动机调速装置中，电动机绕组的功率逆变电路的最常用接法如图2所示。电动机三个相绕组本身间是绝缘的，各由三个半桥形式的逆变电路驱动。整个逆变电路由电容滤波的三相整流电源U_d供电。

相绕组电感L随转子转角θ变化的曲线如图3实线所示。定/转子凸极中线重合时，L为最大值L_M；凸极与槽中线重合时L值很小，接近于零。理想化后得到虚线示折线。L＝L_M时占转角范围θ₁，L的上升段和下降段各占转角范围τ/3；其余转角范围(τ/3-θ₁)中，L值为零。

电动机相绕组中，通有导通角为τ/3～τ/2的脉动电流，周期为2τ。电动时包含电感上升段的转角范围为主，得到正的电动转矩；制动时包含电感下降段的转角范围为主，得到负的转矩。三个相绕组上通有相位相差2τ/3的相电流，两相间有0～τ/3的重叠角。所得到的转矩和电流的方向无关。

图2示逆变电路中三个半桥用了六个桥臂。其中三个桥臂为正桥臂功率开关的一端接至直流电源正极，功率开关导通时，向相绕组流出电流。另外三个桥臂为负桥臂，功率开关的一端接至直流电源负极，功率开关导通时，相绕组中电流流入功率开关。

上述六个桥臂一般用六个双单元IGBT管模块做成。该模块内有一对推拉输出的IGBT管，并且在两个IGBT管上已反向地并联着续流二极管；通过控制极对阴极的短接，就可有效地关断一个IGBT管，从而得到正或负的桥臂。

双单元IGBT管模块是非常成熟的产品，已在变频器等中得到大量应用，现在桥臂中只用一个IGBT管作功率开关，并且只用相串联的二极管来续流，显然没有充分发挥模块的能力，资源上是一种浪费。

对于主电路而言，还要考虑电动机绕组与功率逆变电路间的连线问题，连线比较粗，连线长时成本比较高；图2示主电路需要六根连线，连线多了用户连接比较麻烦，还容易产生接线故障和电磁干扰。

实用新型内容

本实用新型正是为了解决上述技术问题而设计的一种新型3相开关磁阻电动机调速装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新型3相开关磁阻电动机调速装置，包括电动机和功率逆变电路。电动机为3相开关磁阻电动机，其定子铁芯有均匀分布的6Z个凸极，Z为正整数，极弧角为π/_6Z；定子凸极上皆嵌有规格一样的线圈，均匀分布的2Z个凸极线圈采用串联、并联或混联方式连接成1相绕组，通有电流时，2Z个凸极的磁性呈N、S间隔排列；转子铁芯有均布的4Z个凸极，极弧角稍大于π/_6Z，极距τ为π/_2Z；3相绕组的接法是星形，三个相绕组的头端连在一起后浮置，三个头端是电动机绕组的3相输入端，直接连到功率逆变电路的3相输出端上；功率逆变电路是通用的三相桥式逆变电路，由六只功率开关构成，每相推拉输出，每个功率开关上皆反向地并联着续流二极管，功率开关关断时，通过相串联的二极管续流。

所述一种新型3相开关磁阻电动机调速装置的相绕组中流过正、负交变的电流，周期为2τ；3相都如此，3相电流间相位相差2τ/3转角；其相电流波形和相位，实行分相的闭环控制，各相都包括电流传感器，电流调节器、脉宽控制器、门电路和推动模块，通过三相桥式逆变电路中本相桥臂上两个功率开关的导通比来改变相电压的大小。

所述一种新型3相开关磁阻电动机调速装置功率开关的斩波控制采用双极性方式，三相桥式逆变电路中，本相桥臂推拉输出，两个功率开关导通比之和等于1。

所述一种新型3相开关磁阻电动机调速装置功率开关的斩波控制采用单极性方式，两路控制互补，导通比之和仍等于1；当要求的相电流大于正阀值时，一端接于直流电源正极的功率开关进行斩波，小于负阀值时，则一端接于直流电源负极的功率开关进行斩波。

所述一种新型3相开关磁阻电动机调速装置的六只功率开关包括续流二极管，可使用三只双单元功率开关组件，也可使用一只六单元功率开关组件。

本实用新型电动机3相绕组接成星形，功率逆变电路采用普通的三相桥式电路。亦即三个相绕组的线尾连在一起后浮置，三个线头则直接连到三相桥式逆变电路的输出上。据文献介绍，逆变电路输出的相电流正负交变，周期为2τ，是正负半波导通角为2τ/3的方波电流，相电流等于零时，该相定子凸极的磁导正好处于主要下降段。

一般的3相开关磁阻电动机采用双相激励，所谓“双相激励”，属于1相的圆周上均布的定子铁芯凸极，其所嵌线圈连成相绕组后，通电时这些凸极的磁性是同极性的，都为N极或者S极。相绕组磁势所产生的磁通必须经过别的相的凸极才能闭合，所以两相间存在互感，每个相绕组的电感也同时改变。分析转矩时，必须同时计及自感和互感。并且转子铁芯凸极的极弧角为定子凸极的2倍。分析表明，即使定子凸极磁导符合理想化线性条件，所获得的电动机转矩也有相当大的脉动。为了不产生上述转矩脉动，本实用新型不用“双相激励”的电动机，转子凸极的极弧角和1相中定子凸极线圈的连法仍同一般的3相电动机一样。

本实用新型一种新型3相开关磁阻电动机调速装置的有益效果是其电路设计合理，实现简单，连接方便，其调速精度高，电动机转矩平稳；本实用新型中功率逆变电路与电动机绕组间连线只有三根，在用双单元或六单元功率开关组件制作逆变电路时，组件的额定能力能得到充分的利用。

附图说明

图1是3相12/8极开关磁阻电动机铁芯凸极的示意图；

图2是常用的3相开关磁阻电动机的绕组接法和功率逆变电路；

图3是电动机相绕组电感随转子转角变化的曲线；

图4是本实用新型3相开关磁阻电动机的绕组接法和功率逆变电路；

图5是本实用新型中最佳电动状态时相电流和该相转矩的波形；

图6是本实用新型中对相电流实行的分相控制方框图；

图7是最佳状态时本实用新型其他几种相电流波形。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

前面已介绍过3相12/8极开关磁阻电动机定/转子铁芯的凸极结构，和各个相绕组中各个凸极线圈的连接，这里不再详述。在本实用新型调速装置中，三个相绕组接成星形，与三相桥式逆变电路一起，构成图4所示的主电路。

图5给出了a相绕组电感La随电动机转子转角变化的理想曲线，周期τ为转子极距π/4。La＝L_M的转角范围θ₁很小，不会超过τ/3；La的上升段和下降段斜率的绝对值相等，各占转角范围τ/3；其余(τ/3-θ₁)转角范围La＝0。b相和c相绕组电感分别为Lb(θ)＝La(θ-τ/3)和Lc(θ)＝La(θ-2τ/3)，图中没有画出。

三相桥式逆变电路输出的相电流正负多变，同期为2τ。相座于a相绕组电感La变化曲线。最佳电动状态时，要求a相电流ia的波形如图5所示，它是一个正负半波导通角皆为2τ/3的方波电流，在ia为零时，La正处于下降期。

在ia为零的τ/3转角范围，电动机a相凸极不会产生电磁转矩，而相电流存在的转角范围较大，已包含La的上升段，不论电流方向正或负，都会产生正的电动转矩，结果就得到图5中Ta所示的正的电动转矩。

b相和c相电流分别为ib(θ)＝ia(θ-2τ/3)和ic＝ia(θ-4τ/3)。任何时候皆满足ia+ib+ic＝θ。b相和c相的电动转矩则分别为Tb(θ)＝Ta(θ-τ/3)和Tc＝Ta(θ-2τ/3)。三相叠加起来，电动机转子上总的电动转矩是连续的。

如果相电流的相位前移θ₂角，则在电感下降期有θ₂角范围产生负的电动转矩。随着θ₂渐渐加大，当θ₂＞θ₁时，在电感上升期中获得正电动转矩的角度范围变为(τ/3-θ₂+θ₁)。3相叠加，电动机转子上总的平均电动转矩下降，直到θ₂＞(τ/3-θ₁/2)后，平均电动转矩变为负值，电动机进入制动状态。

由于对相电流的波形和相位要求较高，相绕组负载又具有电感性质，本实用新型中，对要求的相电流i实行分相的闭环控制。各相皆有电流传感器S、电流调节器A₁、脉宽控制器A₂、门电路D₁和D₂、推动模块B₁和B₂等，依靠三相桥式逆变电路中本相桥臂上两个功率开关K₁和K₂的导通比来改变相电压的大小。

本实用新型中，功率开关的斩波控制可以采用双极性方式，三相桥式逆变电流的本相桥臂推拉输出，功率开关K₁和K₂的导通比之和等于1。

本实用新型中，功率开关的斩波控制也可以采用单极性方式，两路控制互补，导通比之和仍等于1，但最终实现斩波的是K₁和K₂中的一个功率开关。当i大于正阀值+I₀时，一端接于直流电源正相的功率开关K₁进行斩波，i小于负阀值-I₀，则一端接于直流电源负极的功率开关进行斩波。

图6示实线是本实用新型采用双极性斩波方式的方框示意图。图中脉宽控制器A₂作用着三相统一的载波信号J；同时门电路D₁和D₂上作用着故障信号H，故障时关断功率开关K₁和K₂，K₁和K₂上分别并联着续流二极管V₁和V₂。L是电动机的相绕组，一端接于K₁和K₂的推拉输出端，另一端是3相星形的中点。

如果是采用单极性斩波方式，那么就要增加虚线示部份，其中D₁和D₂是两个阀值比较器，用来决定K₁和K₂中哪一个来进行斩波。

在图5中，a相转矩是一个持续转角为τ/3的矩形波，三相叠加后，总的转子转矩不存在脉动。实际上即使铁芯不存在饱和问题，转矩也是存在脉动的，其产生原因，一则相绕组电感随转子角θ的变化曲线相当复杂，并不像图3示实线那么理想，二则相绕组电感的存在使相电流不能突变，电流的升降有一个过程。

基于开关磁阻电动机中所获得的电磁转矩与电流无关，还应当指出，在相位相差2τ/3的3相电流的瞬时值之和等于零的前提下，如图7所示，把相电流ia改为图中的ia₁或ia₂或ia₃，也可得到与图5中Ta的转矩。但ia₁或ia₂或ia₃的波形比ia复杂。电动机铁损会增大，同时电流中，正负值间变化有一个过程，也会产生新的转矩脉动，因此，本实用新型选用ia。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1、一种新型3相开关磁阻电动机调速装置，包括电动机和功率逆变电路；其特征在于：电动机为3相开关磁阻电动机，其定子铁芯有均匀分布的6Z个凸极，Z为正整数，极弧角为π/6Z；定子凸极上皆嵌有规格一样的线圈，均匀分布的2Z个凸极线圈采用串联、并联或混联方式连接成1相绕组，通有电流时，2Z个凸极的磁性呈N、S间隔排列；转子铁芯有均布的4Z个凸极，极弧角稍大于π/6Z，极距τ为π/2Z；3相绕组的接法是星形，三个相绕组的头端连在一起后浮置，三个头端是电动机绕组的3相输入端，直接连到功率逆变电路的3相输出端上；功率逆变电路是通用的三相桥式逆变电路，由六只功率开关构成，每相推拉输出，每个功率开关上皆反向地并联着续流二极管，功率开关关断时，通过相串联的二极管续流。

2、根据权利要求1所述的一种新型3相开关磁阻电动机调速装置，其特征在于：相绕组中流过正、负交变的电流，周期为2τ；3相都如此，3相电流间相位相差2τ/3转角；其相电流波形和相位，实行分相的闭环控制，各相都包括电流传感器，电流调节器、脉宽控制器、门电路和推动模块，通过三相桥式逆变电路中本相桥臂上两个功率开关的导通比来改变相电压的大小。

3、根据权利要求1所述的一种新型3相开关磁阻电动机调速装置，其特征在于：功率开关的斩波控制采用双极性方式，三相桥式逆变电路中，本相桥臂推拉输出，两个功率开关导通比之和等于1。

4、根据权利要求1所述的一种新型3相开关磁阻电动机调速装置，其特征在于：功率开关的斩波控制采用单极性方式，两路控制互补，导通比之和仍等于1；当要求的相电流大于正阀值时，一端接于直流电源正极的功率开关进行斩波，小于负阀值时，则一端接于直流电源负极的功率开关进行斩波。

5、根据权利要求1所述的一种新型3相开关磁阻电动机调速装置，其特征在于：六只功率开关包括续流二极管，使用三只双单元功率开关组件。

6、根据权利要求1所述的一种新型3相开关磁阻电动机调速装置，其特征在于：六只功率开关包括续流二极管，使用一只六单元功率开关组件。

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