一種帶中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種帶中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器，在2N相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的傳統(tǒng)裂相式功率變換器基礎(chǔ)上，去除了兩個(gè)中點(diǎn)電容，在電源正負(fù)極和繞組星型連接的中點(diǎn)之間分別加入兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，其中一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的漏極、源極分別連在電源的正極和星型連接的中點(diǎn)之間，另一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的漏極、源極分別連在星型連接的中點(diǎn)和電源負(fù)極之間。本發(fā)明省去了傳統(tǒng)裂相式功率變換器中點(diǎn)處的兩個(gè)大電容，降低了功率變換器的成本，提高了系統(tǒng)的可靠性，也解決了無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器星型連接的中點(diǎn)電壓脈動(dòng)且不可控的問(wèn)題，有效降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減小振動(dòng)噪聲，提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。
【專利說(shuō)明】一種帶中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器領(lǐng)域，尤其涉及一種帶中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor,以下簡(jiǎn)稱SR電機(jī))是上世紀(jì)八十年代出現(xiàn)的一種新型電機(jī)，由于SR電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、可控參數(shù)多，控制靈活，效率高、起動(dòng)性能好等優(yōu)點(diǎn)，使其在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、家用電器、通用工業(yè)、伺服驅(qū)動(dòng)、礦山機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]SR電機(jī)正常運(yùn)行，各相電流需要保持一定相序、有一定的通斷時(shí)刻，功率變換器為SR電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中重要的組成部分。SR電機(jī)的功率變換器由直流(或交流整流)電源供電，輸出周期性的脈沖電流，供給SR電機(jī)以驅(qū)動(dòng)其運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種控制。
[0004]SR電機(jī)的功率變換器，按開(kāi)關(guān)管的排列位置可分為半橋式和裂相式等，按換相的續(xù)流方式可分為電感儲(chǔ)能式、電容儲(chǔ)能式、能耗式等多種拓?fù)湫问?。目前不?duì)稱半橋拓?fù)涫褂玫淖疃?，其適合各相SR電機(jī)且相間獨(dú)立,但存在出線較多、開(kāi)關(guān)器件多的缺點(diǎn)。對(duì)于2N相SR電機(jī)，采用裂相式拓?fù)涫沟瞄_(kāi)關(guān)器件數(shù)量減少一半、出線減少一半，功率變換器的成本降低和可靠性增強(qiáng)。因此，對(duì)于2N相SR電機(jī)常采用裂相式拓?fù)洹?br> [0005]裂相式拓?fù)渲?，相繞組呈星型連接，中點(diǎn)與電源正負(fù)極間接有兩個(gè)大電容，用于減小星型連接中點(diǎn)的電壓脈動(dòng)。但兩個(gè)大電容的加入使得功率變換器的成本、體積增加，同時(shí)可靠性也降低，故相關(guān)的學(xué)者提出直接去掉中點(diǎn)處的兩個(gè)大電容，即采用無(wú)中點(diǎn)電容的裂相式拓?fù)?。該拓?fù)湎耂R電機(jī)繞組星型連接中點(diǎn)電壓存在較大脈動(dòng)，但SR電機(jī)能夠正常運(yùn)行且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，但是其輸出功率與帶中點(diǎn)電容的裂相式拓?fù)湎啾冉档土撕芏唷?br> [0006]裂相式拓?fù)渲校飨嗬@組兩端電壓等于中點(diǎn)電壓或直流電壓與中點(diǎn)電壓之差，通過(guò)研究表明中點(diǎn)電壓對(duì)于SR電機(jī)換相、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、振動(dòng)噪聲、效率等性能有著重要影響，而目前已經(jīng)提出的帶中點(diǎn)電容的、不帶中點(diǎn)電容的裂相式拓?fù)涞闹悬c(diǎn)電壓均不可控或不可直接控制，不易于對(duì)SR電機(jī)的性能進(jìn)行調(diào)節(jié)及實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服現(xiàn)有2N相SR電機(jī)功率變換器不對(duì)稱半橋拓?fù)溟_(kāi)關(guān)器件和出線多、裂相式拓?fù)渲悬c(diǎn)電壓不可控制等諸多問(wèn)題，提供一種帶中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器拓?fù)?，總開(kāi)關(guān)器件數(shù)量?jī)H為(2N+2)，出線數(shù)僅為(2N+1)，同時(shí)對(duì)加入的兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管采取不同的控制策略，產(chǎn)生相應(yīng)的最優(yōu)中點(diǎn)電壓波形，可以加快繞組換相、增大電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩、有效降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、減小振動(dòng)噪聲、提聞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率，提升SR電機(jī)系統(tǒng)的性能。
本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問(wèn)題:
一種帶中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器，包含直流電源、電容、中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)模塊和N個(gè)兩相電路模塊，所述直流電源、電容、中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)模塊、N個(gè)兩相電路模塊并聯(lián)，N為大于等于I的整數(shù)；
所述中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)模塊包含第一功率開(kāi)關(guān)管和第二功率開(kāi)關(guān)管，所述第一功率開(kāi)關(guān)管的漏極與電源正極相連，所述第二功率開(kāi)關(guān)管的源極與電源負(fù)極相連，所述第一功率開(kāi)關(guān)管的源極與第二功率開(kāi)關(guān)管的漏極相連；
所述兩相電路模塊包含第一開(kāi)關(guān)元件、第二開(kāi)關(guān)元件、第一二極管和第二二極管，所述第一二極管的陰極通過(guò)第一開(kāi)關(guān)元件與電源正極相連、陽(yáng)極與電源負(fù)極相連，所述第二二極管的陽(yáng)極通過(guò)第二開(kāi)關(guān)元件與電源負(fù)極相連、陰極與電源正極相連。
[0008]使用時(shí)，將2N相SR電機(jī)的相繞組分成N組，分別對(duì)應(yīng)于帶中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器中N個(gè)兩相電路模塊、對(duì)于每組相繞組，包含2個(gè)相繞組，其中一個(gè)相繞組的一端與其對(duì)應(yīng)的兩相電路模塊中的第一二極管的陰極相連、另一端與其對(duì)應(yīng)的兩相電路模塊中的第一功率開(kāi)關(guān)管的源極相連；另一個(gè)相繞組的一端與其對(duì)應(yīng)的兩相電路模塊中的第二二極管的陽(yáng)極相連，另一端與其對(duì)應(yīng)的兩相電路模塊中的第一功率開(kāi)關(guān)管的源極相連。
[0009]只需采用本發(fā)明提出的功率變換器拓?fù)洌鶕?jù)位置信號(hào)對(duì)主開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制的同時(shí)，對(duì)中點(diǎn)處有源調(diào)節(jié)的兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管采取相應(yīng)的控制策略，就可以使SR電機(jī)高效、可靠運(yùn)行。
[0010]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
1.功率器件少、出線少，成本降低、可靠性增強(qiáng)。本發(fā)明的功率變換器拓?fù)溥m用于2N相SR電機(jī)，若采用不對(duì)稱半橋開(kāi)關(guān)器件所需數(shù)量為4N個(gè)，二極管所需數(shù)量為4N個(gè)，出線所需數(shù)量為4N，而采用本發(fā)明提出的功率變換器拓?fù)?，開(kāi)關(guān)器件數(shù)量為(2N+2)個(gè)，二極管數(shù)量為2N個(gè)，所需出線數(shù)為(2N+1)。相比之下所需器件和出線減少，開(kāi)關(guān)器件減少了(2N-2)個(gè)，二極管減少了 2N個(gè)，出線數(shù)減少了(2N-1)個(gè)。以四相SR電機(jī)為例(N=2)，功率器件共減少6個(gè)，出線減少3個(gè)；以六相SR電機(jī)為例(N=3)，功率器件共減少10個(gè)，出線減少5個(gè)。隨著N增大，減少的功率器件和出線就越多；
2.相繞組兩端電壓可控，電機(jī)性能得以提升。本發(fā)明的功率變換器克服了傳統(tǒng)裂相式拓?fù)錅p少了器件、出線數(shù)但又帶來(lái)的單相繞組兩端電壓不可控的缺點(diǎn)。帶中點(diǎn)電容的裂相式拓?fù)?，若要控制中點(diǎn)電壓近似為輸入直流電壓的一半，則需增大電容的容量，這將增加成本，同時(shí)電容的加入使得功率變換器的可靠性降低，而且電容對(duì)中點(diǎn)電壓只能起到幅值的調(diào)節(jié)作用，對(duì)于脈動(dòng)的周期性中點(diǎn)電壓的相位無(wú)法調(diào)節(jié)。無(wú)中點(diǎn)電容的裂相式拓?fù)洌瑢?duì)中點(diǎn)電壓不調(diào)節(jié)，在自由脈動(dòng)的中點(diǎn)電壓下，SR電機(jī)的輸出功率、平均輸出轉(zhuǎn)矩都降低很多，電機(jī)的性能未能完全利用。而本發(fā)明的功率拓?fù)?，例如可采用中點(diǎn)電壓脈寬調(diào)制有源調(diào)節(jié)技術(shù)，即可對(duì)中點(diǎn)電壓的幅值、相位進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)性能的最大利用，可以加快繞組換相、增大電機(jī)的平均輸出轉(zhuǎn)矩、增大起動(dòng)和過(guò)載能力、有效降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、減小振動(dòng)噪聲、提聞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率等；
3.控制策略多樣化，同時(shí)也使SR電機(jī)的容錯(cuò)能力增強(qiáng)，可故障運(yùn)行。傳統(tǒng)裂相式拓?fù)?，必須有兩相同時(shí)導(dǎo)通才能正常運(yùn)行，只能采取半周期導(dǎo)通策略，同時(shí)當(dāng)某相發(fā)生故障，SR電機(jī)無(wú)法故障運(yùn)行。而本發(fā)明的功率變換器的中點(diǎn)電壓由中點(diǎn)處有源調(diào)節(jié)的兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的控制產(chǎn)生，某一相繞組的提前關(guān)斷或是缺相不影響中點(diǎn)電壓，故可采用多樣的導(dǎo)通策略以及實(shí)現(xiàn)SR電機(jī)的故障運(yùn)行；
4.特別適合多相SR電機(jī)。多相SR電機(jī)具有如下特點(diǎn):相數(shù)增加所需功率器件、出線數(shù)大大增加；相數(shù)多，可實(shí)現(xiàn)多樣化控制的策略，輸出功率大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)??；容錯(cuò)能力強(qiáng)，故障運(yùn)行良好。本發(fā)明的功率變換器完全符合這些特點(diǎn)的要求，在多相SR電機(jī)中的應(yīng)用有著獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為本發(fā)明帶中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器示意圖；
圖2為四相SR電機(jī)的帶中點(diǎn)電容裂相式功率變換器拓?fù)涫疽鈭D；
圖3為四相SR電機(jī)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器拓?fù)涫疽鈭D；
圖4為本發(fā)明具體應(yīng)用在四相SR電機(jī)上的功率變換器拓?fù)涫疽鈭D；
圖5為本發(fā)明具體應(yīng)用在六相SR電機(jī)上的功率變換器拓?fù)涫疽鈭D；
圖6為采用中點(diǎn)帶兩個(gè)無(wú)窮大電容的傳統(tǒng)裂相式拓?fù)浞抡嬷悬c(diǎn)的電壓波形；
圖7為采用中點(diǎn)帶兩個(gè)無(wú)窮大電容的傳統(tǒng)裂相式拓?fù)浞抡孑敵龅霓D(zhuǎn)矩波形；
圖8為采用無(wú)中點(diǎn)電容的傳統(tǒng)裂相式拓?fù)浞抡嬷悬c(diǎn)的電壓波形；
圖9為采用無(wú)中點(diǎn)電容的傳統(tǒng)裂相式拓?fù)浞抡孑敵龅霓D(zhuǎn)矩波形；
圖10為采用本發(fā)明功率變換器拓?fù)淠诚鄳?yīng)控制策略一下輸出的轉(zhuǎn)矩波形；
圖11為采用本發(fā)明功率變換器拓?fù)淠诚鄳?yīng)控制策略二下輸出的轉(zhuǎn)矩波形。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明:
如圖1所示，本發(fā)明公開(kāi)了一種帶中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器，包含直流電源、電容、中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)模塊和N個(gè)兩相電路模塊，所述直流電源、電容、中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)模塊、N個(gè)兩相電路模塊并聯(lián)，N為大于等于I的整數(shù)；
所述中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)模塊包含第一功率開(kāi)關(guān)管和第二功率開(kāi)關(guān)管，所述第一功率開(kāi)關(guān)管的漏極與電源正極相連，所述第二功率開(kāi)關(guān)管的源極與電源負(fù)極相連，所述第一功率開(kāi)關(guān)管的源極與第二功率開(kāi)關(guān)管的漏極相連；
所述兩相電路模塊包含第一開(kāi)關(guān)元件、第二開(kāi)關(guān)元件、第一二極管和第二二極管，所述第一二極管的陰極通過(guò)第一開(kāi)關(guān)元件與電源正極相連、陽(yáng)極與電源負(fù)極相連，所述第二二極管的陽(yáng)極通過(guò)第二開(kāi)關(guān)元件與電源負(fù)極相連、陰極與電源正極相連。
[0013]使用時(shí)，將2N相SR電機(jī)的相繞組分成N組，分別對(duì)應(yīng)于帶中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器中N個(gè)兩相電路模塊、對(duì)于每組相繞組，包含2個(gè)相繞組，其中一個(gè)相繞組的一端與其對(duì)應(yīng)的兩相電路模塊中的第一二極管的陰極相連、另一端與其對(duì)應(yīng)的兩相電路模塊中的第一功率開(kāi)關(guān)管的源極相連；另一個(gè)相繞組的一端與其對(duì)應(yīng)的兩相電路模塊中的第二二極管的陽(yáng)極相連，另一端與其對(duì)應(yīng)的兩相電路模塊中的第一功率開(kāi)關(guān)管的源極相連。
[0014]本發(fā)明提出的帶中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式拓?fù)鋵?duì)任意2N相SR電機(jī)均適用。應(yīng)用在不同相數(shù)的SR電機(jī)(N取不同值時(shí))中，只要增加或減少相應(yīng)的開(kāi)關(guān)管與二極管組成的橋臂即兩相模塊M(N)即可。[0015]圖2和圖3所示，為目前常用的四相SR電機(jī)的帶中點(diǎn)電容裂相式拓?fù)浜蜔o(wú)中點(diǎn)電容裂相式拓?fù)涫疽鈭D。
[0016]如圖4和圖5所示，本發(fā)明功率變換器具體應(yīng)用在四相SR電機(jī)和六相SR電機(jī)中的功率變換器拓?fù)涫疽鈭D。
[0017]以某四相SR電機(jī)為例，結(jié)合仿真結(jié)果說(shuō)明:
如圖2所示，對(duì)四相SR電機(jī)(以下均采用此樣機(jī)且輸入直流電壓、開(kāi)通關(guān)斷角等控制策略均相同)，采用中點(diǎn)帶無(wú)窮大電容的裂相式功率變換器，中點(diǎn)輸出波形如圖6所示，仿真輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖7所示，平均轉(zhuǎn)矩為8.73N*m，最大轉(zhuǎn)矩為15.51N*m，最小轉(zhuǎn)矩為4.64N*m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為10.87N*m。
[0018]如圖3，對(duì)四相SR電機(jī)，采用無(wú)中點(diǎn)電容的裂相式變換器，中點(diǎn)輸出波形如圖8所示，仿真輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖9所示，平均轉(zhuǎn)矩為6.07N*m，最大轉(zhuǎn)矩為8.llN*m，最小轉(zhuǎn)矩為
5.llN*m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為3N*m。
[0019]如圖4，對(duì)四相SR電機(jī)，采用本發(fā)明帶有中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器，對(duì)中點(diǎn)處加入的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管分別采用兩種不同的有源調(diào)節(jié)控制策略，使得中點(diǎn)電壓分別與圖6和圖8的電壓波形等效，輸出的轉(zhuǎn)矩波形分別如圖10和圖11所示。
[0020]如圖10所示，平均轉(zhuǎn)矩為8.73N*m，最大轉(zhuǎn)矩為15.88N*m，最小轉(zhuǎn)矩為4.59N*m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為11.29N*m，此種控制策略下產(chǎn)生的效果與圖7輸出轉(zhuǎn)矩波形的幾乎一樣，實(shí)際輸出平均轉(zhuǎn)矩較大，此種工作狀態(tài)適合作為SR電機(jī)過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)。
[0021]如圖11所示，平均轉(zhuǎn)矩為7N*m，最大轉(zhuǎn)矩為9.08N*m，最小轉(zhuǎn)矩為5.28N*m，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為3.8N*m，SR電機(jī)此種控制策略下(即此種中點(diǎn)電壓波形下)輸出轉(zhuǎn)矩波形與圖9接近，與圖7、圖11相比轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大大減小，此種工作狀態(tài)下SR電機(jī)輸出一定的平均轉(zhuǎn)矩外還具有較小的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，適合作為SR電機(jī)的額定工作狀態(tài)。
[0022]通過(guò)上面的分析可以看到，使用本發(fā)明帶有中點(diǎn)有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容功率變換器，可以根據(jù)SR電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的不同需求，對(duì)中點(diǎn)處加入的開(kāi)關(guān)管采取不同控制策略，對(duì)中點(diǎn)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到了對(duì)SR電機(jī)性能改善的效果。而目前常采用的帶中點(diǎn)電容裂相式和無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器，由于中點(diǎn)電壓不可控的缺點(diǎn)，電機(jī)性能難以得到優(yōu)化，難以實(shí)現(xiàn)多樣的控制策略。
【權(quán)利要求】
1.一種帶中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)的無(wú)中點(diǎn)電容裂相式功率變換器，其特征在于，包含直流電源、電容、中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)模塊和N個(gè)兩相電路模塊，所述直流電源、電容、中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)模塊、N個(gè)兩相電路模塊并聯(lián)，N為大于等于I的整數(shù)； 所述中點(diǎn)電壓有源調(diào)節(jié)模塊包含第一功率開(kāi)關(guān)管和第二功率開(kāi)關(guān)管，所述第一功率開(kāi)關(guān)管的漏極與電源正極相連，所述第二功率開(kāi)關(guān)管的源極與電源負(fù)極相連，所述第一功率開(kāi)關(guān)管的源極與第二功率開(kāi)關(guān)管的漏極相連； 所述兩相電路模塊包含第一開(kāi)關(guān)元件、第二開(kāi)關(guān)元件、第一二極管和第二二極管，所述第一二極管的陰極通過(guò)第一開(kāi)關(guān)元件與電源正極相連、陽(yáng)極與電源負(fù)極相連，所述第二二極管的陽(yáng)極通過(guò)第二開(kāi)關(guān)元件與電源負(fù)極相連、陰極與電源正極相連。
【文檔編號(hào)】H02P25/08GK103840723SQ201410082219
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月7日
【發(fā)明者】戴尚建, 劉闖, 周聰, 韓守義, 張?jiān)讫? 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)