一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换器的制作方法

1.本发明涉及一种电机的功率变换器，具体涉及一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换 器。


背景技术：

2.开关磁阻电机具有结构简单坚固、成本低、起动转矩大、可控参数多、调速性能好等优 势，因为它的一系列优点，使得它的应用范围广泛。开关磁阻电机调速系统(srd)由开关磁 阻电机、功率变换器、控制器和位置检测器等组成，其中功率变换器作为驱动开关磁阻电机 调速系统的主要组成部分，对整个调速系统的性能起到至关重要的作用。为了优化开关磁阻 电机调速系统的性能，研究开关磁阻电机的多电平功率变换器具有重要意义。
3.常用的不对称半桥三电平功率变换器，由于其具有结构简单、开关器件少和控制简单等 优点而备受广泛使用，如图1所示。以a相为例，总共有三种工作状态，对应于图2所示， 当开通vta1和vta2，电源的正向电压加在绕组两端，使绕组励磁( 1)；当关断vta1和vta2， 绕组通过二极管vda1和vda2续流，将剩余磁能回馈给电容c1，实现退磁(
‑
1)；当保持一 个开关管开通，另一个关断，绕组通过上桥臂或者下桥臂零压续流(图示以上桥臂零压续流 为例)。但是传统不对称功率变换器在电机运行于高速阶段，由于反电动势比较大以及有效励 磁和退磁时间变短，此时在励磁阶段，常压励磁( 1)很难克服反电动势快速建立起电流； 在退磁阶段，常压退磁(
‑
1)很难抑制拖尾电流而产生负转矩，从而影响电机出力且减小效 率。
4.针对这些缺点，国内外学者在不对称半桥的基础上，进行开关磁阻电机多电平功率变换 器的研究，文献“a novel four
‑
level converter and instantaneous switching angledetector for high speed srm drive”在传统不对称半桥电路的基础上加以改进，提出了一 种采用无源升压电容的四电平功率变换器，如图3所示，该电路虽然能够通过电容升压来克 服高速时较大的反电动势，实现快速励磁，以及加快电流下降，实现快速退磁，但是当任一 相工作于快速励磁状态( 2)时，导通q
cd
会使vd
cd
截止，从而强制其它相在励磁时也只能工 作于快速励磁状态( 2)，同样当一相工作于常压励磁状态( 1)，q
cd
关断，此时该功率变换 器不能提供高压励磁。总的来说在两相至多相重叠导通时，存在相间制约，使得每相的电平 状态不能独立切换，限制了该多电平功率变换器的应用。
5.文献“asymmetrical 7
‑
level neutral point clamped converter for switch reluctancemotors”提出了一种七电平功率变换器，如图4所示，一相桥由四个开关管和两个二极管组 成，由电池组供电，通过控制相应开关管的通断可提供“ 1”、“ 2/3”、“ 1/3”、“0”、
ꢀ“‑
1/3”、
“‑
2/3”和
“‑
1”七种电平状态。这种功率变换器能够实现每相七种电平状态的 独立运行，但是该拓扑结构不能提供超过最大供电电压等级的高压，即不具备升压能力，并 且该拓扑结构的设计初衷是应用在具有电池组的电动汽车上，应用受限。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术的不足，提出了一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换器。本发 明具有多种电平等级，既能实现传统功率变换器的常压励磁、退磁和零压续流，也能实现高 压快速励磁和高压快速退磁，并且通过对无源升压电容的适当选型以及合理的充放电控制， 所提出的多电平功率变换器还可以提供两种低电压等级的电平状态(当升压电容两端电压u
c2
小于电源电压u
dc
时)，从而能够实现低压励磁和低压退磁。本发明旨在利用所提出的多电平 功率变换器所具有的多电平等级、高控制自由度、可快速励磁和快速退磁的优势来有效降低 电机的转矩脉动，提高电机运行效率，拓宽电机调速范围。
7.本发明的技术方案是：一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换器，由直流供电电源、 稳压电容c1、无源升压电容c2、纵向桥和横向桥所组成，纵向桥的数量与电机的相数相等， 横向桥只有一个。
8.所述的直流电源可以是将交流电整流成直流电的整流电源，也可以是其它类型的大功率 直流电源和蓄电池；
9.所述的稳压电容c1的正极和负极分别与直流电源的正极和负极并联连接，所述的无源升 压电容c2的负极与稳压电容c1的正极串联连接；
10.所述的一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换器具有三根母线，母线a从无源升压电 容c2的正极引出，母线b从电容c2和c1串联连接的中点引出，母线c从开关管vtz的集电 极引出；
11.所述的开关管vtz、vtx1、vtx2和vtx3(x代表电机的不同相，例如对三相电机而言，x 表示a、b、c)采用全控型功率开关管；
12.所述的纵向桥由开关管(vtx1、vtx2和vtx3)、二极管(vdx1、vdx2和vdx3)和x相电 机绕组组成；所述的开关管vtx1的集电极连接母线a，vtx1的发射极连接开关管vtx2的集 电极并与二极管vdx1的负极连接，二极管vdx1的正极连接母线b；所述的开关管vtx2的发 射极连接电机x相绕组一端并与二极管vdx3的负极连接，二极管vdx3的正极连接直流电源 负极；所述的开关管vtx3的集电极连接电机x相绕组另一端并与二极管vdx2的正极连接， vtx3的发射极连接直流电源负极，二极管vdx2的负极连接母线a；
13.所述的横向桥由开关管vtz和二极管vdzx组成(x代表电机的不同相，例如对三相电机 而言，x表示a、b、c)；所述的开关管vtz的发射极连接至电容c2和c1串联连接的中点， vtz的集电极连接母线c，其作为公共常压退磁通道；所述的二极管vdzx的负极连接母线c， 电机x相绕组与vtx3的集电极的连接端与所述的二极管vdzx的正极连接。
14.所述的一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换器，对于每一相绕组通电时，该功率变 换器共有七种工作状态，以a相为例，当开关管vta1、vta2和vta3导通，且vtz关断，则 给该相绕组施加母线a电压( (u
c2
u
dc
))励磁，实现高压快速励磁(“ 2”状态)；当开关管vta2 和vta3导通，且vta1和vtz关断，则给该相绕组施加母线b电压( u
dc
)励磁，实现常压励 磁(“ 1”状态)；当只有vta3导通，且其它开关管均关断，则该相电机绕组工作在零压续流 状态(“0”状态)；当只有vtz导通，且其它开关管均关断，则该相电机绕组通过母线c将电 能回馈给电容c1，实现常压退磁(
“‑
1”状态)；当开关管vta1、vta2、vta3和vtz均关断， 则该相绕组通过母线a将电能回馈给电容c1和c2，实现高压快速退磁(
“‑
2”状态)；当开 关管vta1、vta2和vtz导通，且vta3关断，则升压电容c2给该相绕组励磁(“ u
c2”状态)， 电容c2放电；当
只有vta2导通，且其它开关管关断，则该相绕组将电能回馈给升压电容c2 (
“‑
u
c2”状态)，电容c2充电。
15.所述的高压快速励磁和常压励磁两种励磁模式的选择，是通过控制开关管vtx1的通断来 控制vtx2集电极端的电位来实现；所述的常压退磁和高压快速退磁两种退磁模式的选择，是 通过控制开关管vtz的通断来控制电机该相绕组端的电位来实现。
16.所述的“ u
c2”状态是指将升压电容两端的正向电压加在电机绕组两端，将升压电容回收 的退磁能量用于绕组励磁，且可用于实现升压电容的放电平衡和过压保护；所述的
“‑
u
c2”状 态是指绕组将退磁能量回馈给升压电容，此时绕组两端电压为
‑
u
c2
，实现绕组退磁，且可用于 实现升压电容的充电平衡和欠压保护。
17.所述的一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换器可作为五电平使用，主要工作在“ 2”、
ꢀ“‑
2”、“0”、“ 1”和
“‑
1”五种工作状态，即高压快速励磁、高压快速退磁、零压续流、常 压励磁和常压退磁；作为五电平电路使用，该电路具有除了
“‑
1”和
“‑
2”两种组合之外的 其它任意两种状态的组合工作模式，而实际上相邻两相电机绕组重叠导通时不需要
“‑
1”和
ꢀ“‑
2”两种状态的组合模式，因此作为五种电平电路使用时，可以实现相与相之间的独立运 行。
18.所述的一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换器可作为七电平使用(当升压电容两端 电压u
c2
小于电源电压u
dc
时)，工作在“ 2”、
“‑
2”、“0”、“ 1”、
“‑
1”、“ u
c2”和
“‑
u
c2”七 种工作状态，即高压快速励磁、高压快速退磁、零压续流、常压励磁、常压退磁、低压励磁 和低压退磁。
19.在所述的一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换器的基础上，通过增加纵向桥臂的数 量以及横向桥臂的扩展，能够适用于任意相数的电机。
20.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：所提出的多电平功率变换器采用无源升压 电容带来两种可变等级的高压(“ 2”状态和
“‑
2”状态)，实现高压快速励磁和高压快速退 磁，能够加快励磁电流的上升以及避免退磁拖尾电流的产生，可有效提高电机在高速阶段运 行时的性能。保留传统功率变换器所拥有的常压励磁、常压退磁和零压续流状态，能够满足 电机在低速运行时的需求。所提出的多电平功率变换器还能提供 u
c2
和
‑
u
c2
两种等级的电压， 通过升压电容c2对绕组的励磁以及绕组能量回馈给升压电容c2的退磁过程，可以实现电机 绕组的低压励磁和低压退磁；并且通过此过程也可实现对升压电容电压的平衡控制，与现有 技术的采用无源升压电容的多电平功率变换器相比，该电路对升压电容电压具有更好的可控 性。
21.本发明所提出的一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换器是在保证功率变换器具有较 高的相间独立性和减少开关器件的使用数量的情况下所设计出的，由纵向桥提供的四种电平 状态(“ 2”状态、
“‑
2”状态、“0”状态和“ 1”状态)和横向桥提供的一种电平状态(
“‑1”ꢀ
状态)，这五种电平状态在两相重叠导通区间有很大的组合自由度，由于电机的相邻两相通常 不需要
“‑
1”和
“‑
2”两种组合状态的同时导通，五种电平状态的其余导通组合均可以实现， 保证了相与相之间运行的独立性，使得能够制定更加灵活的控制策略来进一步优化开关磁阻 电机的性能。
22.同时该拓扑结构在保证多电平的同时尽量减少开关器件的使用以减小开关损耗和制造成 本，通过增加纵向桥的数量以及横向桥臂的扩展，可适用于任意相数的电机，是
一种更加普 遍适用的结构。
附图说明
23.图1是现有技术中不对称半桥功率变换器示意图。
24.图2是现有技术中不对称半桥功率变换器的三种工作状态示意图。
25.图3是现有技术中的四电平功率变换器示意图。
26.图4是现有技术中的七电平功率变换器示意图。
27.图5是本发明所提出的开关磁阻电机的多电平功率变换器示意图。
28.图6(a)至6(g)是所提出的功率变换器的七种电平状态示意图，以a相为例，图6(a) 是“ 2”状态；图6(b)是“ 1”状态；图6(c)是“0”状态；图6(d)是
“‑
1”状态； 图6(e)是
“‑
2”状态；图6(f)是“ u
c2”状态；图6(g)是
“‑
u
c2”状态。
29.图7(a)和7(b)是所提出的功率变换器的两种辅助零状态，都可用于零压续流，以a 相为例，图7(a)是上桥臂零状态；图7(b)是构成的另一种零状态。
30.图8(a)至8(i)是基本五电平在两相重叠导通区间的9种组合模式示意图，以a、b 两相重叠导通为例，图8(a)是组合模式( 2， 1)；图8(b)是组合模式(0， 1)；图8 (c)是组合模式(0， 2)；图8(d)是组合模式(
‑
2， 1)；图8(e)是组合模式(
‑
2， 2)； 图8(f)是组合模式(
‑
2，0)；图8(g)是组合模式(
‑
1， 1)；图8(h)是组合模式(
‑
1， 2)；图8(i)是组合模式(
‑
1，0)。
具体实施方式
31.本发明提供了一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换器，下面结合附图对本发明作进 一步的说明。
32.如图5所示，本发明提供了一种用于开关磁阻电机的多电平功率变换器，由直流供电电 源、稳压电容c1、无源升压电容c2、纵向桥和横向桥所组成。其中直流电源可以是将交流电 整流成直流电的整流电源，也可以是其它类型的大功率直流电源和蓄电池；稳压电容c1的正 极和负极与直流电源的正极和负极并联连接，无源升压电容c2的负极与c1的正极串联连接。 所提出的多电平功率变换器具有三根母线，分别是母线a、母线b和母线c，对应图5中加粗 导线。
33.本实施案例采用三相电机为例，由于各纵向桥的电路结构相同，因此以a相为例进行说 明，如图5纵向虚线框所示，纵向桥由开关管(vta1、vta2和vta3)、二极管(vda1、vda2 和vda3)和a相电机绕组组成，纵向桥的数量与电机的相数相等，开关管vta1的集电极连 接母线a，vta1的发射极连接开关管vta2的集电极并与二极管vda1的负极连接，二极管vda1 的正极连接母线b；开关管vta2的发射极连接电机a相绕组的一端并与二极管vda3的负极 连接，二极管vda3的正极连接直流电源负极；开关管vta3的集电极连接电机a相绕组的另 一端并与二极管vda2的正极连接，vta3的发射极连接直流电源负极，二极管vda2的负极连 接母线a。
34.如图5横向虚线框所示，横向桥由开关管vtz和二极管vdzx组成；开关管vtz的发射极 连接至电容c2和c1串联连接的中点，vtz的集电极连接母线c，其作为公共常压退磁通道； 二极管vdzx的负极连接母线c，电机x相绕组与vtx3的集电极的连接端与二极管vdzx的
过二极管vda2和vda3将电能回馈给电容c1和c2，实现快速退磁；b相与图8(b)中b相 的工作状态相同为常压励磁。
50.如图8(e)所示为组合模式(
‑
2， 2)，a相与图8(d)中a相的工作状态相同为快速 退磁；b相与图8(c)中b相的工作状态相同为快速励磁。
51.如图8(f)所示为组合模式(
‑
2，0)，a相与图8(e)中a相的工作状态相同为快速退 磁；b相与图8(c)中a相的工作状态相同为零压续流。
52.如图8(g)所示为组合模式(
‑
1， 1)，vtz导通，a相所有开关管均关断，绕组通过开 关管vtz以及二极管vdza和vda3将电能回馈给电容c1，实现常压退磁；b相与图8(d)中 b相的工作状态相同为常压励磁。
53.如图8(h)所示为组合模式(
‑
1， 2)，a相与图8(g)中a相的工作状态相同为常压 退磁；b相与图8(e)中b相的工作状态相同为快速励磁。
54.如图8(i)所示为组合模式(
‑
1，0)，a相与图8(h)中a相的工作状态相同为常压退 磁；b相与图8(f)中b相的工作状态相同为零压续流。
55.通过以上9种组合模式分析，可以看出所提出的多电平功率变换器作为五电平使用时相 与相之间独立运行，能够充分发挥多电平的优势，有助于采取更加灵活的控制策略，进一步 提高srd的性能。
56.所提出的功率变换器采用无源升压电容c2来获得高压是一种简单且节约成本的方案，在 具体工作过程中c2与c1串联使用即可以用于回收绕组的回馈能量，实现快速退磁，也可以 将能量用于快速励磁，这可以有效提高电机运行效率。另外由升压电容c2提供的“ u
c2”和
ꢀ“‑
u
c2”两种电平状态对其自身起到很好的平衡控制作用。当升压电容c2两端的电压过高时， 除了可以通过“ 2”状态向绕组励磁，来释放储能降低电压以外，也可以通过“ u
c2”状态向 绕组励磁，以释放储能降低电压。同样当升压电容c2两端的电压过低时，除了可以通过
“‑2”ꢀ
状态实现绕组退磁，将退磁能量用于电容c1和c2的储能抬升电压以外，也可以通过
“‑
u
c2
”ꢀ
状态实现绕组退磁，将退磁能量回馈给升压电容c2，实现电压抬升。总的来说在对无源升压 电容的平衡控制的同时也起到了过压和欠压保护的作用。
57.所提出的功率变换器的多电平等级能够满足开关磁阻电机的低速和高速要求，在常规运 行时，可以主要工作于“ 1”、“0”、
“‑
1”三种工作状态，来满足一般工况需求。在高速阶段， 利用快速励磁模式来克服较大的反电动势，以快速建立起电流；在退磁阶段利用快速退磁模 式来快速退磁，以抑制拖尾电流，提高电机出力和运行效率，也可以利用该多电平功率电路 所具有的多电平优势，来有效减小转矩脉动以及提高电机的动态响应。
58.以上所述仅为本发明的较佳实施案例，并不用以限制本发明，凡是在不脱离本发明创造 宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计 出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。