开关磁阻电机广义多电平拓扑及其控制方法

1.本发明设计开关磁阻电机广义多电平拓扑及其控制方法，属于电力电子与电力传动领域。


背景技术：

2.用于开关磁阻电机驱动的多电平功率变换技术主要包括:多电平变换器拓扑、多电平调制策略及提高多电平逆变器运行性能的相关控制策略。但传统的三种多电平变换器所需功率器件较多、结构复杂，造成体积大、效率低、成本高等问题，极大地限制了其实际应用范围。特别是电平数较高情况下电容电压冗余状态过多，中性点电位及电容电压平衡控制复杂，器件损耗和开关频率间矛盾关系的问题，成为限制多电平变换器在实际中应用的主要因素。近些年来，很少有新型的用于开关磁阻电机驱动的多电平拓扑被提出和研究。仅有的一些拓扑或者是结构较为复杂，可拓展性不强，或者是其控制算法很复杂，不易于实现。针对这些现实问题，构建输出相同电平数时，减小飞跨电容电压控制复杂程度，减少所用开关器件，降低损耗的多电平拓扑及其调制、控制策略来行之有效地解决以上问题，还未见报道。


技术实现要素：

3.发明目的：
4.本发明提出开关磁阻电机广义多电平拓扑及其控制方法，其目的是解决传统的用于开关磁阻电机驱动的不对称二极管箝位多电平拓扑所用二极管数目多的问题。该拓扑具有较少的开关器件但n相仍可以独立控制且只需一个直流源供电。
5.技术方案：
6.图1为开关磁阻电机广义多电平拓扑的单相拓扑结构，其特征在于：该结构由可控开关，二极管和储能电容，组成。称相绕组可允许产生的最大电平数为该拓扑的电平数，则m(m为大于等于3的正整数)电平变换器n相共需n*(m-1)个功率开关管，n*(m-1)个功率二极管， (m-1)/2个储能电容。其中，各相均需(m-1)个功率开关管，(m-1)个功率二极管，此外n相公用(m-1)/2个储能电容。本发明的多电平拓扑为单直流源供电，附加桥臂器件(每相共(m-3) 个功率开关管和(m-3)个功率二极管)所承受的电压均为2/(m-1)倍的直流电源电压，主桥臂器件(每相共2个功率开关管和2个功率二极管)所承受的电压为直流电源电压。该拓扑具有较少的开关器件但n相仍可以独立控制。
7.开关磁阻电机广义多电平拓扑，所实施的拓扑的第一种控制方法，其特征在于：该方法采用占空比与高频三角载波进行载波移相pwm调制产生所需的信号，各相产生的信号与开关磁阻电机的换向逻辑输出和限流逻辑输出进行与逻辑运算，产生最终的开关信号驱动本拓扑的开关工作。
8.开关磁阻电机广义多电平拓扑，所实施的拓扑的第二种控制方法，其特征在于：该方法采用一维空间矢量调制方式，利用伏秒平衡原理计算出各矢量作用时间，在各矢量作
用的时间段内，输出对应开关状态，与开关磁阻电机的换向逻辑输出和限流逻辑输出进行与逻辑运算，产生最终的开关信号驱动本拓扑的开关工作。
9.开关磁阻电机一种广义多电平拓扑，其特征在于：通过分析输出电压与主开关管驱动逻辑的关系可知，除了最高和最低电平只对应一种开关状态以外，介于最高和最低电平之间的电平数均具有冗余开关状态与之对应，冗余的开关状态可以用来实现该拓扑的容错控制，储能电容中性点电压平衡控制，负电平与正电平对应的开关状态个数相同。
附图说明
10.图1为开关磁阻电机广义m电平拓扑结构；
11.图2为开关磁阻电机五电平(t型)拓扑结构；
12.图3为开关磁阻电机七电平(π型)拓扑结构；
具体实施方式
13.图2为开关磁阻电机五电平(t型)拓扑结构实例，该拓扑相绕组最多可具有五电平。该拓朴共需4个开关管，4个二极管，2个储能电容。
14.对于开关磁阻电机五电平(t型)拓扑结构而言，利用第一种控制方式：采用占空比与高频三角载波进行载波移相pwm调制产生所需的信号，各相产生的信号与开关磁阻电机的换向逻辑输出和限流逻辑输出进行与逻辑运算，产生最终的开关信号驱动本拓扑的开关工作。
15.对于开关磁阻电机五电平(t型)拓扑结构而言，利用第二种控制方式：该方法采用一维空间矢量调制方式，利用伏秒平衡原理计算出各矢量作用时间，在各矢量作用的时间段内，输出对应开关状态，与开关磁阻电机的换向逻辑输出和限流逻辑输出进行与逻辑运算，产生最终的开关信号驱动本拓扑的开关工作。
16.图3为开关磁阻电机七电平(π型)拓扑结构实例，该拓扑相绕组最多可具有七电平。该拓朴共需6个开关管，6个二极管，3个储能电容。
17.对于开关磁阻电机七电平(π型)拓扑结构而言，利用第一种控制方式：采用占空比与高频三角载波进行载波移相pwm调制产生所需的信号，各相产生的信号与开关磁阻电机的换向逻辑输出和限流逻辑输出进行与逻辑运算，产生最终的开关信号驱动本拓扑的开关工作。
18.对于开关磁阻电机七电平(π型)拓扑结构而言，利用第二种控制方式：该方法采用一维空间矢量调制方式，利用伏秒平衡原理计算出各矢量作用时间，在各矢量作用的时间段内，输出对应开关状态，与开关磁阻电机的换向逻辑输出和限流逻辑输出进行与逻辑运算，产生最终的开关信号驱动本拓扑的开关工作。


技术特征：
1.开关磁阻电机广义多电平拓扑及其控制方法，该结构由可控开关，二极管和储能电容，组成。2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机广义多电平拓扑结构，其特征在于：称相绕组可允许产生的最大电平数为该拓扑的电平数，则m(m为大于等于3的正整数)电平变换器n相共需n*(m-1)个功率开关管，n*(m-1)个功率二极管，(m-1)/2个储能电容。其中，各相均需(m-1)个功率开关管，(m-1)个功率二极管，此外n相公用(m-1)/2个储能电容。3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机广义多电平拓扑结构，其特征在于：拓扑为单直流源供电，附加桥臂器件(每相共(m-3)个功率开关管和(m-3)个功率二极管)所承受的电压均为2/(m-1)倍的直流电源电压，主桥臂器件(每相共2个功率开关管和2个功率二极管)所承受的电压为直流电源电压。4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机广义多电平拓扑结构，其特征在于：该拓扑具有较少的开关器件但n相仍可以独立控制。5.根据权利要求1所述的开关磁阻电机广义多电平拓扑结构，所实施的拓扑的第一种控制方法，其特征在于：该方法采用占空比与高频三角载波进行载波移相pwm调制产生所需的信号，各相产生的信号与开关磁阻电机的换向逻辑输出和限流逻辑输出进行与逻辑运算，产生最终的开关信号驱动本拓扑的开关工作。6.根据权利要求1所述的开关磁阻电机广义多电平拓扑结构，所实施的拓扑的第二种控制方法，其特征在于：该方法采用一维空间矢量调制方式，利用伏秒平衡原理计算出各矢量作用时间，在各矢量作用的时间段内，输出对应开关状态，与开关磁阻电机的换向逻辑输出和限流逻辑输出进行与逻辑运算，产生最终的开关信号驱动本拓扑的开关工作。7.根据权利要求1所述的开关磁阻电机广义多电平拓扑结构，其特征在于：通过分析输出电压与主开关管驱动逻辑的关系可知，除了最高和最低电平只对应一种开关状态以外，介于最高和最低电平之间的电平数均具有冗余开关状态与之对应，冗余的开关状态可以用来实现该拓扑的容错控制以及储能电容中性点电压平衡控制，负电平与正电平对应的开关状态个数相同。

技术总结
开磁阻电机广义多电平拓扑及其控制方法，该结构由可控开关，二极管和储能电容，组成。称相绕组可允许产生的最大电平数为该拓扑的电平数，则M(M为大于等于3的正整数)电平变换器N相共需N*(M-1)个功率开关管，N*(M-1)个功率二极管，(M-1)/2个储能电容。其中，各相均需(M-1)个功率开关管，(M-1)个功率二极管，此外N相公用(M-1)/2个储能电容。本发明的多电平拓扑为单直流源供电，附加桥臂器件(每相共(M-3)个功率开关管和(M-3)个功率二极管)所承受的电压均为2/(M-1)倍的直流电源电压，主桥臂器件(每相共2个功率开关管和2个功率二极管)所承受的电压为直流电源电压。该拓扑具有较少的开关器件但N相仍可以独立控制。为开关磁阻电机的驱动提供了新型多电平拓扑方案。动提供了新型多电平拓扑方案。动提供了新型多电平拓扑方案。


技术研发人员：陈昊 段瑞敏 肖茂华 张珂 巩士磊 王星
受保护的技术使用者：南京农业大学 荣成市荣佳动力有限公司 烟台仙崴机电有限公司
技术研发日：2022.05.16
技术公布日：2022/8/12