一种带中点电压有源调节的无中点电容裂相式功率变换器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种带中点电压有源调节的无中点电容裂相式功率变换器，在2N相开关磁阻电机的传统裂相式功率变换器基础上，去除了两个中点电容，在电源正负极和绕组星型连接的中点之间分别加入两个功率开关管，其中一个功率开关管的漏极、源极分别连在电源的正极和星型连接的中点之间，另一个功率开关管的漏极、源极分别连在星型连接的中点和电源负极之间。本发明省去了传统裂相式功率变换器中点处的两个大电容，降低了功率变换器的成本，提高了系统的可靠性，也解决了无中点电容裂相式功率变换器星型连接的中点电压脉动且不可控的问题，有效降低电机的转矩脉动，减小振动噪声，提高驱动系统的效率。
【专利说明】一种带中点电压有源调节的无中点电容裂相式功率变换器
【技术领域】
[0001]本发明涉及开关磁阻电机功率变换器领域，尤其涉及一种带中点电压有源调节的无中点电容裂相式功率变换器。
【背景技术】
[0002]开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,以下简称SR电机)是上世纪八十年代出现的一种新型电机，由于SR电机具有结构简单坚固、可控参数多，控制灵活，效率高、起动性能好等优点，使其在电动车驱动系统、家用电器、通用工业、伺服驱动、矿山机械等领域得到了广泛应用。
[0003]SR电机正常运行，各相电流需要保持一定相序、有一定的通断时刻，功率变换器为SR电机驱动系统中重要的组成部分。SR电机的功率变换器由直流(或交流整流)电源供电，输出周期性的脉冲电流，供给SR电机以驱动其运行并实现各种控制。
[0004]SR电机的功率变换器，按开关管的排列位置可分为半桥式和裂相式等，按换相的续流方式可分为电感储能式、电容储能式、能耗式等多种拓扑形式。目前不对称半桥拓扑使用的最多，其适合各相SR电机且相间独立,但存在出线较多、开关器件多的缺点。对于2N相SR电机，采用裂相式拓扑使得开关器件数量减少一半、出线减少一半，功率变换器的成本降低和可靠性增强。因此，对于2N相SR电机常采用裂相式拓扑。
[0005]裂相式拓扑中，相绕组呈星型连接，中点与电源正负极间接有两个大电容，用于减小星型连接中点的电压脉动。但两个大电容的加入使得功率变换器的成本、体积增加，同时可靠性也降低，故相关的学者提出直接去掉中点处的两个大电容，即采用无中点电容的裂相式拓扑。该拓扑下SR电机绕组星型连接中点电压存在较大脉动，但SR电机能够正常运行且转矩脉动小，但是其输出功率与带中点电容的裂相式拓扑相比降低了很多。
[0006]裂相式拓扑中，各相绕组两端电压等于中点电压或直流电压与中点电压之差，通过研究表明中点电压对于SR电机换相、转矩脉动、振动噪声、效率等性能有着重要影响，而目前已经提出的带中点电容的、不带中点电容的裂相式拓扑的中点电压均不可控或不可直接控制，不易于对SR电机的性能进行调节及实现最优控制。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题在于克服现有2N相SR电机功率变换器不对称半桥拓扑开关器件和出线多、裂相式拓扑中点电压不可控制等诸多问题，提供一种带中点电压有源调节的无中点电容裂相式功率变换器拓扑，总开关器件数量仅为(2N+2)，出线数仅为(2N+1)，同时对加入的两个功率开关管采取不同的控制策略，产生相应的最优中点电压波形，可以加快绕组换相、增大电机的平均输出转矩、有效降低电机的转矩脉动、减小振动噪声、提闻驱动系统的效率，提升SR电机系统的性能。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题:
一种带中点电压有源调节的无中点电容裂相式功率变换器，包含直流电源、电容、中点电压有源调节模块和N个两相电路模块，所述直流电源、电容、中点电压有源调节模块、N个两相电路模块并联，N为大于等于I的整数；
所述中点电压有源调节模块包含第一功率开关管和第二功率开关管，所述第一功率开关管的漏极与电源正极相连，所述第二功率开关管的源极与电源负极相连，所述第一功率开关管的源极与第二功率开关管的漏极相连；
所述两相电路模块包含第一开关元件、第二开关元件、第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阴极通过第一开关元件与电源正极相连、阳极与电源负极相连，所述第二二极管的阳极通过第二开关元件与电源负极相连、阴极与电源正极相连。
[0008]使用时，将2N相SR电机的相绕组分成N组，分别对应于带中点电压有源调节的无中点电容裂相式功率变换器中N个两相电路模块、对于每组相绕组，包含2个相绕组，其中一个相绕组的一端与其对应的两相电路模块中的第一二极管的阴极相连、另一端与其对应的两相电路模块中的第一功率开关管的源极相连；另一个相绕组的一端与其对应的两相电路模块中的第二二极管的阳极相连，另一端与其对应的两相电路模块中的第一功率开关管的源极相连。
[0009]只需采用本发明提出的功率变换器拓扑，根据位置信号对主开关器件进行控制的同时，对中点处有源调节的两个功率开关管采取相应的控制策略，就可以使SR电机高效、可靠运行。
[0010]本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:
1.功率器件少、出线少，成本降低、可靠性增强。本发明的功率变换器拓扑适用于2N相SR电机，若采用不对称半桥开关器件所需数量为4N个，二极管所需数量为4N个，出线所需数量为4N，而采用本发明提出的功率变换器拓扑，开关器件数量为(2N+2)个，二极管数量为2N个，所需出线数为(2N+1)。相比之下所需器件和出线减少，开关器件减少了(2N-2)个，二极管减少了 2N个，出线数减少了(2N-1)个。以四相SR电机为例(N=2)，功率器件共减少6个，出线减少3个；以六相SR电机为例(N=3)，功率器件共减少10个，出线减少5个。随着N增大，减少的功率器件和出线就越多；
2.相绕组两端电压可控，电机性能得以提升。本发明的功率变换器克服了传统裂相式拓扑减少了器件、出线数但又带来的单相绕组两端电压不可控的缺点。带中点电容的裂相式拓扑，若要控制中点电压近似为输入直流电压的一半，则需增大电容的容量，这将增加成本，同时电容的加入使得功率变换器的可靠性降低，而且电容对中点电压只能起到幅值的调节作用，对于脉动的周期性中点电压的相位无法调节。无中点电容的裂相式拓扑，对中点电压不调节，在自由脉动的中点电压下，SR电机的输出功率、平均输出转矩都降低很多，电机的性能未能完全利用。而本发明的功率拓扑，例如可采用中点电压脉宽调制有源调节技术，即可对中点电压的幅值、相位进行调节，可实现电机性能的最大利用，可以加快绕组换相、增大电机的平均输出转矩、增大起动和过载能力、有效降低电机的转矩脉动、减小振动噪声、提闻驱动系统的效率等；
3.控制策略多样化，同时也使SR电机的容错能力增强，可故障运行。传统裂相式拓扑，必须有两相同时导通才能正常运行，只能采取半周期导通策略，同时当某相发生故障，SR电机无法故障运行。而本发明的功率变换器的中点电压由中点处有源调节的两个功率开关管的控制产生，某一相绕组的提前关断或是缺相不影响中点电压，故可采用多样的导通策略以及实现SR电机的故障运行；
4.特别适合多相SR电机。多相SR电机具有如下特点:相数增加所需功率器件、出线数大大增加；相数多，可实现多样化控制的策略，输出功率大，转矩脉动小；容错能力强，故障运行良好。本发明的功率变换器完全符合这些特点的要求，在多相SR电机中的应用有着独特优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明带中点电压有源调节的无中点电容裂相式功率变换器示意图；
图2为四相SR电机的带中点电容裂相式功率变换器拓扑示意图；
图3为四相SR电机的无中点电容裂相式功率变换器拓扑示意图；
图4为本发明具体应用在四相SR电机上的功率变换器拓扑示意图；
图5为本发明具体应用在六相SR电机上的功率变换器拓扑示意图；
图6为采用中点带两个无穷大电容的传统裂相式拓扑仿真中点的电压波形；
图7为采用中点带两个无穷大电容的传统裂相式拓扑仿真输出的转矩波形；
图8为采用无中点电容的传统裂相式拓扑仿真中点的电压波形；
图9为采用无中点电容的传统裂相式拓扑仿真输出的转矩波形；
图10为采用本发明功率变换器拓扑某相应控制策略一下输出的转矩波形；
图11为采用本发明功率变换器拓扑某相应控制策略二下输出的转矩波形。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1所示，本发明公开了一种带中点电压有源调节的无中点电容裂相式功率变换器，包含直流电源、电容、中点电压有源调节模块和N个两相电路模块，所述直流电源、电容、中点电压有源调节模块、N个两相电路模块并联，N为大于等于I的整数；
所述中点电压有源调节模块包含第一功率开关管和第二功率开关管，所述第一功率开关管的漏极与电源正极相连，所述第二功率开关管的源极与电源负极相连，所述第一功率开关管的源极与第二功率开关管的漏极相连；
所述两相电路模块包含第一开关元件、第二开关元件、第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阴极通过第一开关元件与电源正极相连、阳极与电源负极相连，所述第二二极管的阳极通过第二开关元件与电源负极相连、阴极与电源正极相连。
[0013]使用时，将2N相SR电机的相绕组分成N组，分别对应于带中点电压有源调节的无中点电容裂相式功率变换器中N个两相电路模块、对于每组相绕组，包含2个相绕组，其中一个相绕组的一端与其对应的两相电路模块中的第一二极管的阴极相连、另一端与其对应的两相电路模块中的第一功率开关管的源极相连；另一个相绕组的一端与其对应的两相电路模块中的第二二极管的阳极相连，另一端与其对应的两相电路模块中的第一功率开关管的源极相连。
[0014]本发明提出的带中点电压有源调节的无中点电容裂相式拓扑对任意2N相SR电机均适用。应用在不同相数的SR电机(N取不同值时)中，只要增加或减少相应的开关管与二极管组成的桥臂即两相模块M(N)即可。[0015]图2和图3所示，为目前常用的四相SR电机的带中点电容裂相式拓扑和无中点电容裂相式拓扑示意图。
[0016]如图4和图5所示，本发明功率变换器具体应用在四相SR电机和六相SR电机中的功率变换器拓扑示意图。
[0017]以某四相SR电机为例，结合仿真结果说明:
如图2所示，对四相SR电机(以下均采用此样机且输入直流电压、开通关断角等控制策略均相同)，采用中点带无穷大电容的裂相式功率变换器，中点输出波形如图6所示，仿真输出转矩波形如图7所示，平均转矩为8.73N*m，最大转矩为15.51N*m，最小转矩为4.64N*m，转矩脉动为10.87N*m。
[0018]如图3，对四相SR电机，采用无中点电容的裂相式变换器，中点输出波形如图8所示，仿真输出转矩波形如图9所示，平均转矩为6.07N*m，最大转矩为8.llN*m，最小转矩为
5.llN*m，转矩脉动为3N*m。
[0019]如图4，对四相SR电机，采用本发明带有中点电压有源调节的无中点电容裂相式功率变换器，对中点处加入的两个开关管分别采用两种不同的有源调节控制策略，使得中点电压分别与图6和图8的电压波形等效，输出的转矩波形分别如图10和图11所示。
[0020]如图10所示，平均转矩为8.73N*m，最大转矩为15.88N*m，最小转矩为4.59N*m，转矩脉动为11.29N*m，此种控制策略下产生的效果与图7输出转矩波形的几乎一样，实际输出平均转矩较大，此种工作状态适合作为SR电机过载运行状态。
[0021]如图11所示，平均转矩为7N*m，最大转矩为9.08N*m，最小转矩为5.28N*m，转矩脉动为3.8N*m，SR电机此种控制策略下(即此种中点电压波形下)输出转矩波形与图9接近，与图7、图11相比转矩脉动大大减小，此种工作状态下SR电机输出一定的平均转矩外还具有较小的转矩脉动，适合作为SR电机的额定工作状态。
[0022]通过上面的分析可以看到，使用本发明带有中点有源调节的无中点电容功率变换器，可以根据SR电机运行状态的不同需求，对中点处加入的开关管采取不同控制策略，对中点电压进行调节，达到了对SR电机性能改善的效果。而目前常采用的带中点电容裂相式和无中点电容裂相式功率变换器，由于中点电压不可控的缺点，电机性能难以得到优化，难以实现多样的控制策略。
【权利要求】
1.一种带中点电压有源调节的无中点电容裂相式功率变换器，其特征在于，包含直流电源、电容、中点电压有源调节模块和N个两相电路模块，所述直流电源、电容、中点电压有源调节模块、N个两相电路模块并联，N为大于等于I的整数； 所述中点电压有源调节模块包含第一功率开关管和第二功率开关管，所述第一功率开关管的漏极与电源正极相连，所述第二功率开关管的源极与电源负极相连，所述第一功率开关管的源极与第二功率开关管的漏极相连； 所述两相电路模块包含第一开关元件、第二开关元件、第一二极管和第二二极管，所述第一二极管的阴极通过第一开关元件与电源正极相连、阳极与电源负极相连，所述第二二极管的阳极通过第二开关元件与电源负极相连、阴极与电源正极相连。
【文档编号】H02P25/08GK103840723SQ201410082219
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】戴尚建, 刘闯, 周聪, 韩守义, 张云龙 申请人:南京航空航天大学