一种高压电机的驱动拓扑电路

1.本发明涉及电机技术领域，更具体地，涉及一种高压电机的驱动拓扑电路。


背景技术：

2.开关磁阻电机(switched reluctance motor,srm)具有坚固耐用、调速范围广、启动转矩大等一系列优点，在宽转速与高功率范围内均具有高输出与高效率，非常适合应用于高速运行及恶劣的环境中。两相开关磁阻电机作为整个开关磁阻电机系列的一种，具有很多突出优势，在结构进一步简化的同时，减少了电机与驱动电路间的连线，此外，非对称大气隙结构也提高了电感比值。因此，在不要求同时具备正、反转向的场合中，具有自启动能力的两相开关磁阻电机具有突出优势。两相开关磁阻电机的驱动拓扑电路中，a为电枢绕组，f为励磁绕组， 、﹣分别表示规定的绕组电流正负方向，该电机能实现正常运行的驱动要求是：在一个电周期内，励磁绕组单向持续导通，电枢绕组双向交替导通。
3.但是，在户外、舰船等没有相应等级电源的情况下限制了上述两相开关磁阻电机的正常运行，尤其当电源电压低于电机额定电压等级时，传统拓扑电路无法直接应用于电机驱动，必须增加电源升压环节，给整个系统增加额外成本，且限制电机供电电源的电压范围。并且，传统srm功率变换电路中，为了抑制srm功率变换电路多余的脉动功率，需在母线电压侧并联一个大容量电解电容，在母线电压端并联电解电容可以起到稳定母线电压波动、滤除纹波功率和吸收换相时绕组多余储能的作用。但是电解电容由于其内部电解液蒸发因而具有寿命短的缺点，且受限于电解电容的成本与尺寸导致其对srm驱动系统可靠性与小型化的发展方向造成严重的阻碍，所以无电解电容的srm驱动系统成为本研究领域备受关注的一个焦点。
4.有鉴于此，本技术提供一种高压电机的驱动拓扑电路，适用于在电源电压低于两相开关磁阻电机额定电压的情况，所述驱动拓扑电路采用极简化的电路及元器件提高电压至电机的额定电压等级，并且无电解电容，驱动电路可靠性强、驱动系统体积小。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种高压电机的驱动拓扑电路，适用于在电源电压低于两相开关磁阻电机额定电压的情况，所述驱动拓扑电路采用极简化的电路及元器件提高电压至电机的额定电压等级，并且无电解电容，驱动电路可靠性强、驱动系统体积小。
6.一种高压电机的驱动拓扑电路，所述驱动拓扑电路包括三个桥臂，三个桥臂的两端分别与电源的正负极连接，电源正极与励磁绕组连接再依次与第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的正极连接，第一桥臂由第一开关管组成，第二桥臂由第二开关管和第三开关管串联组成，第三桥臂由第四开关管和第五开关管组成，电枢绕组的一端与第二开关管和第三开关管之间的导线连接、另一端与第四开关管和第五开关管之间的导线连接，第一桥臂的正极与第二桥臂的正极之间还设置有第一稳压二极管，通过调节第一开关管的占空比来提高电压至电机的额定电压等级，通过控制第二桥臂和第三桥臂的开关管的导通或关断来实
现电枢绕组的正向导通及反向导通。
7.在一些实施方式中，所述第一稳压二极管的阳极与第一桥臂的正极连接、阴极与第二桥臂的正极连接；所述第二开关管的一端与励磁绕组出线端正母线连接，第三开关管的一端与电源负极连接，第四开关管的一端与励磁绕组出线端正母线连接，第五开关管的一端与电源负极连接。
8.进一步的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管为三极管。
9.进一步的，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管为npn型三极管。
10.进一步的，所述第一开关管的集电极与励磁绕组出线端正母线连接、发射极与电源负极连接、基极与调压控制信号输出端连接；第二开关管的集电极与励磁绕组出线端正母线连接、发射极与第三开关管的集电极连接、基极与电枢绕组正向导通控制信号输出端连接，第三开关管的发射极与电源负极连接、基极与电枢绕组反向导通控制信号输出端连接；第四开关管的集电极与励磁绕组出线端正母线连接、发射极与第五开关管的集电极连接、基极与电枢绕组反向导通控制信号输出端连接，第五开关管的发射极与电源负极连接、基极与电枢绕组正向导通控制信号输出端连接；电枢绕组的一端与第二开关管的发射极连接、另一端与第四开关管的发射极连接。
11.在一些实施方式中，所述第二开关管、第三开关管、第四开关管及第五开关管设置有内部二极管，电枢绕组通过第二桥臂和第三桥臂的开关管的内部二极管进行续流。
12.进一步的，所述内部二极管与开关管反向并联，内部二极管的阳极与开关管的发射极连接、阴极与开关管的集电极连接。
13.进一步的，在电力电子管中，所有的开关管无论igbt还是mosfet，其工艺和原理决定了这些管子只能控制单相导通关断，反向是二极管，因此，开关管内部天然内置有反并联的内部二极管。
14.在一些实施方式中，所述励磁绕组还与续流二极管和第二稳压二极管并联，续流二极管与第二稳压二极管反向串联，续流二极管的阴极与电源正极连接、阳极与第二稳压二极管的阳极连接，第二稳压二极管的阴极与第一桥臂的正极连接。
15.进一步的，所述励磁绕组与并联的续流二极管和第二稳压二极管形成续流回路，电流依次通过励磁绕组、第二稳压二极管、续流二极管和励磁绕组，续流二极管起到续流的作用，第二稳压二极管用于续流时稳定励磁绕组的电压。
16.在一些实施方式中，所述第一开关管关断，且第二开关管与第五开关管导通、第三开关管与第四开关管关断，电枢绕组正向导通；第一开关管关断，且第三开关管与第四开关管导通、第二开关管与第五开关管关断，电枢绕组反向导通；在一个电周期内，励磁绕组持续单向导通，电枢绕组双向交替导通。
17.进一步的，电枢绕组正向导通时，正向电流回路依次为：电源正极、励磁绕组、第一稳压二极管、第二开关管、电枢绕组、第五开关管和电源负极；电枢绕组反向导通时，反向电流回路依次为：电源正极、励磁绕组、第一稳压二极管、第四开关管、电枢绕组、第三开关管和电源负极。
18.在一些实施方式中，所述励磁绕组和第一开关管组成升压斩波电路，通过调节第
一开关管的占空比来提高电压，提高后的电压与电枢绕组的额定电压相匹配。
19.进一步的，电源电压为v
dc
、第一开关管的占空比为α、电枢绕组两端电压为u0，则电源电压与电枢绕组电压的关系为：升压斩波电路输出的电压与电枢绕组的额定电压相匹配。
20.进一步的，所述第一开关管导通时，电源向励磁绕组充电，充电回路依次为：电源正极、励磁绕组、第一开关管和电源负极。
21.在一些实施方式中，在电枢绕组续流时，当第一开关管关断时，若第三开关管与第四开关管导通、第二开关管与第五开关管关断，正向续流回路为电源负极、第三开关管、电枢绕组、第四开关管、第一稳压二极管、第二稳压二极管、续流二极管和电源正极，向电源回馈能量；当第一开关管导通时，若第三开关管与第四开关管导通、第二开关管与第五开关管关断，电枢绕组通过正向续流回路缓慢续流，该正向续流回路为第三开关管、电枢绕组、第四开关管、第一稳压二极管和第一开关管；当第一开关管关断时，若第二开关管与第五开关管导通、第三开关管与第四开关管关断，反向续流回路为电源负极、第五开关管、电枢绕组、第二开关管、第一稳压二极管、第二稳压二极管、续流二极管和电源正极向电源回馈能量；当第一开关管导通时，若第二开关管与第五开关管导通、第三开关管与第四开关管关断，电枢绕组通过反向续流回路缓慢续流，该反向续流回路为第五开关管、电枢绕组、第二开关管、第一稳压二极管和第一开关管；其中，第一稳压二极管能够通过稳定电枢绕组导通与续流时的回路电压，从而省去稳压电容。
22.在一些实施方式中，在两相电机中，所述励磁绕组和电枢绕组分别由两套绕组组成，同一相中的两套绕组进行串联或并联，电机所有绕组中的电流由各绕组标号为纯数字端流入为正方向，因此，当绕组以端部连接方式缠绕于电机上可以使得电机中规定的正电流方向与拓扑电路中规定的正电流方向一致。
23.进一步的，通过励磁绕组的电流方向不变，因此通过绕组端部1、1’、2、2’的电流方向是不变的，通过电枢绕组的电流方向在一个电周期内变化两次，电枢绕组正向导通及反向导通的变化，绕组端部3、3’、4、4’中的电流方向同步变化。
24.本发明第一方面，励磁绕组通电时能够产生磁场给电机旋转提供能量，同时将励磁绕组中磁场能量进行复用，充当与第一开关管配合的电感(现有技术中需要额外设置一个电感与第一开关管配合来通过调节第一开关管的占空比来提高电压)；本技术将励磁绕组进行复用，合理利用励磁绕组的磁储能和磁共能，励磁绕组在位置不变的同时实现电感功能，实现提高电压至电机的额定电压等级，并且励磁绕组的续流回路使得输出电压稳定；升压斩波电路元器件简单，极大简化电路结构，在不牺牲电机结构优势的同时进一步降低成本，拓宽其应用领域。第二方面，通过采用稳压管减小母线电压波动，使得电枢绕组在换相或关断续流时的电压稳定，并能将绕组中的磁能回馈至电源，提高驱动系统的效率。第三方面，省去传统功率变换器中的大容量电解电容，避免由于电解电容故障从而降低驱动电路的可靠性，同时减小驱动系统的体积并降低其控制成本，能够小型化发展，解决了本领域备受关注的一个技术难题。
附图说明
25.结合以下附图一起阅读时，将会更加充分地描述本技术内容的上述和其他特征。可以理解，这些附图仅描绘了本技术内容的若干实施方式，因此不应认为是对本技术内容范围的限定。通过采用附图，本技术内容将会得到更加明确和详细地说明。
26.图1为本技术实施例1的高压电机的驱动拓扑电路的电路示意图。
27.图2为本技术的整距式srm运行一个电周期的原理图，其中，图2a为绕组电流为正方向的示意图，图2b为电机正电流方向与驱动拓扑电路正电流方向一致的示意图，图2c为同一相中的两套绕组进行串联的示意图，图2d为同一相中的两套绕组进行并联的示意图。
28.图3为本技术实施例1的驱动拓扑电路在第一开关管关断且电枢绕组正向导通时电流回路示意图。
29.图4为本技术实施例1的驱动拓扑电路在第一开关管关断且电枢绕组反向导通时电流回路示意图。
30.图5为本技术实施例1的驱动拓扑电路在第一开关管开通时励磁绕组的充电回路示意图。
31.图6为本技术实施例1的驱动拓扑电路中励磁绕组的续流回路示意图。
32.图7(a)为本技术实施例1的驱动拓扑电路中电枢绕组在第一开关管关断时的正向续流回路示意图。
33.图7(b)为本技术实施例1的驱动拓扑电路中电枢绕组在第一开关管开通时的正向续流回路示意图。
34.图8(a)为本技术实施例1的驱动拓扑电路中电枢绕组在第一开关管关断时的反向续流回路示意图。
35.图8(b)为申请实施例1的驱动拓扑电路中电枢绕组在第一开关管开通时的反向续流回路示意图。
具体实施方式
36.描述以下实施例以辅助对本技术的理解，实施例不是也不应当以任何方式解释为限制本技术的保护范围。
37.在以下描述中，本领域的技术人员将认识到，在本论述的全文中，组件可描述为单独的功能单元(可包括子单元)，但是本领域的技术人员将认识到，各种组件或其部分可划分成单独组件，或者可整合在一起(包括整合在单个的系统或组件内)。
38.同时，组件或系统之间的连接并不旨在限于直接连接，相反，在这些组件之间的数据可由中间组件修改、重格式化、或以其它方式改变。另外，可使用另外或更少的连接。还应注意，术语“联接”、“连接”、或“输入”应理解为包括直接连接、通过一个或多个中间设备来进行的间接连接、和无线连接。
39.实施例1：
40.一种高压电机的驱动拓扑电路，所述驱动拓扑电路包括三个桥臂，三个桥臂的两端分别与电源的正负极连接，电源正极与励磁绕组f连接再依次与第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的正极连接，第一桥臂由第一开关管vt1组成，第二桥臂由第二开关管vt2和第三开关管vt3串联组成，第三桥臂由第四开关管vt4和第五开关管vt5组成，电枢绕组a的一端与
第二开关管vt2和第三开关管vt3之间的导线连接、另一端与第四开关管vt4和第五开关管vt5之间的导线连接，第一桥臂的正极与第二桥臂的正极之间还设置有第一稳压二极管zd1，通过调节第一开关管vt1的占空比来提高电压至电机的额定电压等级，通过控制第二桥臂和第三桥臂的开关管的导通或关断来实现电枢绕组a的正向导通及反向导通。
41.所述第一稳压二极管zd1的阳极与第一桥臂的正极连接、阴极与第二桥臂的正极连接；所述第二开关管vt2的一端与励磁绕组f出线端正母线连接，第三开关管vt3的一端与电源负极连接，第四开关管vt4的一端与励磁绕组f出线端正母线连接，第五开关管vt5的一端与电源负极连接。所述第一开关管vt1、第二开关管vt2、第三开关管vt3、第四开关管vt4和第五开关管vt5为npn型三极管。所述第一开关管vt1的集电极与励磁绕组f出线端正母线连接、发射极与电源负极连接、基极与调压控制信号输出端连接；第二开关管vt2的集电极与励磁绕组f出线端正母线连接、发射极与第三开关管vt3的集电极连接、基极与电枢绕组a正向导通控制信号输出端连接，第三开关管vt3的发射极与电源负极连接、基极与电枢绕组a反向导通控制信号输出端连接；第四开关管vt4的集电极与励磁绕组f出线端正母线连接、发射极与第五开关管vt5的集电极连接、基极与电枢绕组a反向导通控制信号输出端连接，第五开关管vt5的发射极与电源负极连接、基极与电枢绕组a正向导通控制信号输出端连接；电枢绕组a的一端与第二开关管vt2的发射极连接、另一端与第四开关管vt4的发射极连接。
42.所述第二开关管vt2、第三开关管vt3、第四开关管vt4及第五开关管vt5设置有内部二极管，电枢绕组a通过第二桥臂和第三桥臂的开关管的内部二极管进行续流。所述内部二极管与开关管反向并联，内部二极管的阳极与开关管的发射极连接、阴极与开关管的集电极连接。在电力电子管中，所有的开关管无论igbt还是mosfet，其工艺和原理决定了这些管子只能控制单相导通关断，反向是二极管，因此，开关管内部天然内置有反并联的内部二极管。所述励磁绕组f还与续流二极管d1和第二稳压二极管zd2并联，续流二极管d1与第二稳压二极管zd2反向串联，续流二极管d1的阴极与电源正极连接、阳极与第二稳压二极管zd2的阳极连接，第二稳压二极管zd2的阴极与第一桥臂的正极连接。所述励磁绕组f与并联的续流二极管d1和第二稳压二极管zd2形成续流回路，电流依次通过励磁绕组f、第二稳压二极管zd2、续流二极管d1和励磁绕组f，续流二极管d1起到续流的作用，第二稳压二极管zd2用于续流时稳定励磁绕组f的电压(如图6所示)。
43.所述第一开关管vt1关断，且第二开关管vt2与第五开关管vt5导通、第三开关管vt3与第四开关管vt4关断，电枢绕组a正向导通；第一开关管vt1关断，且第三开关管vt3与第四开关管vt4导通、第二开关管vt2与第五开关管vt5关断，电枢绕组a反向导通；在一个电周期内，励磁绕组f持续单向导通，电枢绕组a双向交替导通。电枢绕组a正向导通时，正向电流回路依次为：电源正极、励磁绕组f、第一稳压二极管zd1、第二开关管vt2、电枢绕组a、第五开关管vt5和电源负极(如图3所示)；电枢绕组a反向导通时，反向电流回路依次为：电源正极、励磁绕组f、第一稳压二极管zd1、第四开关管vt4、电枢绕组a、第三开关管vt3和电源负极(如图4所示)。
44.所述励磁绕组f和第一开关管vt1组成升压斩波电路，通过调节第一开关管vt1的占空比来提高电压，提高后的电压与电枢绕组a的额定电压相匹配。电源电压为v
dc
、第一开关管vt1的占空比为α、电枢绕组a两端电压为u0，则电源电压与电枢绕组a电压的关系为：
，升压斩波电路输出的电压与电枢绕组a的额定电压相匹配。所述第一开关管vt1导通时，电源向励磁绕组f充电，充电回路依次为：电源正极、励磁绕组f、第一开关管vt1和电源负极(如图5所示)。
45.在电枢绕组a续流时，当第一开关管vt1关断时，若第三开关管vt3与第四开关管vt4导通、第二开关管vt2与第五开关管vt5关断，正向续流回路为电源负极、第三开关管vt3、电枢绕组a、第四开关管vt4、第一稳压二极管zd1、第二稳压二极管zd2、续流二极管d1和电源正极，向电源回馈能量(如图7(a)所示)；当第一开关管vt1导通时，若第三开关管vt3与第四开关管vt4导通、第二开关管vt2与第五开关管vt5关断，电枢绕组a通过正向续流回路缓慢续流，该正向续流回路为第三开关管vt3、电枢绕组a、第四开关管vt4、第一稳压二极管zd1和第一开关管vt1(如图7(b)所示)；当第一开关管vt1关断时，若第二开关管vt2与第五开关管vt5导通、第三开关管vt3与第四开关管vt4关断，反向续流回路为电源负极、第五开关管vt5、电枢绕组a、第二开关管vt2、第一稳压二极管zd1、第二稳压二极管zd2、续流二极管d1和电源正极向电源回馈能量(如图8(a)所示)；当第一开关管vt1导通时，若第二开关管vt2与第五开关管vt5导通、第三开关管vt3与第四开关管vt4关断，电枢绕组a通过反向续流回路缓慢续流，该反向续流回路为第五开关管vt5、电枢绕组a、第二开关管vt2、第一稳压二极管zd1和第一开关管vt1(如图8(b)所示)；其中，第一稳压二极管zd1能够通过稳定电枢绕组a导通与续流时的回路电压，从而省去稳压电容。
46.在两相电机中，所述励磁绕组f和电枢绕组a分别由两套绕组组成，同一相中的两套绕组进行串联(如图2c所示)或并联(如图2d所示)，电机所有绕组中的电流由各绕组标号为纯数字端流入为正方向(如图2a所示)，因此，当绕组以端部连接方式缠绕于电机上可以使得电机中规定的正电流方向与拓扑电路中规定的正电流方向一致(如图2b所示)。通过励磁绕组f的电流方向不变，因此通过绕组端部1、1’、2、2’的电流方向是不变的，通过电枢绕组a的电流方向在一个电周期内变化两次，电枢绕组a正向导通及反向导通的变化，绕组端部3、3’、4、4’中的电流方向同步变化。
47.尽管本技术已公开了多个方面和实施方式，但是其它方面和实施方式对本领域技术人员而言将是显而易见的，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。本技术公开的多个方面和实施方式仅用于举例说明，其并非旨在限制本技术，本技术的实际保护范围以权利要求为准。