專利名稱：三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及系統(tǒng)中功率變換器的控制方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，更具體地說(shuō)是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(Switched Reluctance Drive，簡(jiǎn)稱SRD)是80年代中期發(fā)展起來(lái)的新型交流調(diào)速系統(tǒng)，它融開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(Switched Reluctance Motor，簡(jiǎn)稱SR電動(dòng)機(jī))與電力電子技術(shù)、控制技術(shù)于一體，兼有異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在牽引運(yùn)輸、通用工業(yè)、航空工業(yè)和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
磁阻電動(dòng)機(jī)不能像籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)那樣直接接入電網(wǎng)作穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，而必須與驅(qū)動(dòng)電源一同使用。從功能部件上分，SRD由磁阻電動(dòng)機(jī)SRM、位置傳感器、功率變換器和控制電路四部分組成。其基本框圖如附圖8所示。
功率變換器由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電，向磁阻電動(dòng)機(jī)提供旋轉(zhuǎn)所需的能量?？刂齐娐肪C合處理速度指令、速度反饋信號(hào)及電流傳感器、位置傳感器的反饋信息，控制功率變換器中開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁阻電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制。
開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)單位體積出力明顯優(yōu)于異步電動(dòng)機(jī)，而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固，轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組，甚至比以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單著稱的籠型異步電動(dòng)機(jī)還要簡(jiǎn)單，且轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度極高，可以超高速運(yùn)轉(zhuǎn)，允許溫升高，尤其適合在惡劣的環(huán)境條件下工作。
由于是磁阻性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)SR的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無(wú)關(guān)，僅取決于相繞組通電的順序，即只需單方向繞組電流，因此，附圖1(a)所示的不對(duì)稱半橋線路是SRD的常用功率變換器。電動(dòng)機(jī)每相有兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管和兩個(gè)續(xù)流二極管，繞組位于兩個(gè)開(kāi)關(guān)管之間，根本上避免了功率開(kāi)關(guān)管直通短路現(xiàn)象，以此為功率變換器的SRD在國(guó)內(nèi)已比較成熟。
但這種功率變換器造成SR電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能不高，如轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、噪聲大，并且功率變換器與SR電動(dòng)機(jī)的接線較多，目前應(yīng)用比較多的三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中SR電動(dòng)機(jī)與此功率變換器就需要6根連接線。而相應(yīng)的異步電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)與功率邊變換器的連接線則只需3根。因此若想在某些場(chǎng)合以SR電動(dòng)機(jī)取代已應(yīng)用比較成熟的異步電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，SR電動(dòng)機(jī)與功率變換器的連接線問(wèn)題成為不得不考慮的問(wèn)題，尤其對(duì)于某些手持式電動(dòng)工具，電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電源通過(guò)長(zhǎng)電纜連接，附圖1(a)所示的不對(duì)稱半橋線路造成過(guò)多的連接線成為SR電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的主要障礙。
作為調(diào)速系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電源，附圖1(b)所示的三相逆變橋功率變換器目前多應(yīng)用在異步電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中。關(guān)于控制方式，具體應(yīng)用中，電路中的功率管V1-V6通常采用以下兩種通電順序1、以電角度360°為周期，導(dǎo)通順序?yàn)閂1V5-V2V6-V3V4，各個(gè)狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)間均勻分布，3個(gè)通電狀態(tài)各占120°電角度，周而復(fù)始。V1V5表示附圖1(b)中的功率管V1和V5同時(shí)導(dǎo)通，其它4個(gè)功率管截止，此時(shí)該功率電路經(jīng)功率管V1、電動(dòng)機(jī)a相繞組、電動(dòng)機(jī)b相繞組和功率管V5形成回路，電動(dòng)機(jī)a相和b相繞組的勵(lì)磁電流與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子相作用，產(chǎn)生令電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。
2、考慮到V1V5切換到V2V6時(shí)，電動(dòng)機(jī)b相繞組的勵(lì)磁電流的流向要進(jìn)行相反的變化，在其它通電狀態(tài)切換時(shí)，其它兩相繞組也存在該問(wèn)題，在實(shí)際電路控制中必須考慮電動(dòng)機(jī)繞組的電流換向和電流衰減的過(guò)程，即換流和續(xù)流問(wèn)題。因此三相逆變橋回路還有一種通電方式，其導(dǎo)通順序?yàn)閂1V6-V1V5-V3V5-V3V4-V2V4-V2V6，各個(gè)狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)間均勻分布，這6個(gè)狀態(tài)各占60°電角度。
通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)踐檢驗(yàn)，將上述兩種通電方式直接應(yīng)用于以三相逆變橋?yàn)楣β首儞Q器的三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，SR電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用效果與采用不對(duì)稱半橋功率變換器的SR電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用效果相比有很大的差距。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為解決上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問(wèn)題，提供一種以三相逆變橋?yàn)楣β首儞Q器的三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，為開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在某些場(chǎng)合中能直接取代已有的異步電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)創(chuàng)造條件。同時(shí)，本發(fā)明提供一種應(yīng)用在該系統(tǒng)中的功率變換器的控制方式，以使三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的性能得到很好的發(fā)揮。
本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是采用由六只功率管V1、V4、V2、V5、V3、V6構(gòu)成的三相逆變橋功率變換器，每只功率管內(nèi)部自帶反向并聯(lián)的續(xù)流二極管；系統(tǒng)以三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，電動(dòng)機(jī)的三相繞組尾尾相連構(gòu)成三相星型接法，三相繞組首端分別與三相逆變橋的三個(gè)橋臂相連。
本發(fā)明應(yīng)用在所述系統(tǒng)中的功率變換器的控制方式的特點(diǎn)是在所述三相逆變橋功率變換器中，功率管V1、V2、V3、V4、V5、V6以電角度720°為周期，分為12個(gè)通電狀態(tài)，導(dǎo)通順序?yàn)閂1V6-V1-V1V5-V5-V3V5-V3-V3V4-V4-V2V4-V2-V2V6-V6，周而復(fù)始；所述12個(gè)通電狀態(tài)采用對(duì)稱不均勻時(shí)間分布，以相鄰一組雙管導(dǎo)通和一只單管導(dǎo)通構(gòu)成一個(gè)狀態(tài)組，該狀態(tài)組通電時(shí)間為120°電角度，并且雙管導(dǎo)通時(shí)間大于單管導(dǎo)通時(shí)間。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明解決了采用不對(duì)稱半橋功率變換器電動(dòng)機(jī)電源線過(guò)多的問(wèn)題，電動(dòng)機(jī)與功率變換器連線僅為3根，與異步電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)接線形式相同，可直接取代異步電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。
2、本發(fā)明通過(guò)采用適當(dāng)?shù)耐姺绞?，在輸出功率相等的條件下，應(yīng)用于本發(fā)明中的SR電動(dòng)機(jī)與應(yīng)用于不對(duì)稱半橋功率變換器的SR電動(dòng)機(jī)相比，定子繞組匝數(shù)可大幅度減少，可進(jìn)一步提高SR電動(dòng)機(jī)的單位體積出力。
3、本發(fā)明采用電動(dòng)機(jī)兩相勵(lì)磁方式，與SR電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于不對(duì)稱半橋功率變換器相比，可降低SR電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲，提高SR電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。
4、本發(fā)明針對(duì)功率變換器的特定控制方式是利用通電兩相互感的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，迭加于每相自感變化產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之上，與已有技術(shù)中應(yīng)用在異步電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的三相逆變橋功率變換器的兩種通電順序相比，本發(fā)明的通電方式可以使三相SR電動(dòng)機(jī)獲得的平均轉(zhuǎn)矩最大，同時(shí)也改善了SR電機(jī)繞組的換流過(guò)程。兩相的互感作用也能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電能量的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。


圖1(a)為已有技術(shù)中應(yīng)用在SRD中不對(duì)稱半橋式功率變換器示意圖。
圖1(b)為已有技術(shù)中三相逆變橋功率變換器在異步電動(dòng)機(jī)或直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用示意圖。
圖2為本發(fā)明三相開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明功率變換器與三相磁阻電動(dòng)機(jī)繞組連接原理圖。
圖4為本發(fā)明中V1V6-V1-V1V5三個(gè)通電狀態(tài)的電流流向示意圖。
圖4(a)為V1和V6導(dǎo)通時(shí)的電流流向示意圖。
圖4(b)為V1導(dǎo)通時(shí)的電流流向示意圖。
圖4(c)為V1和V5導(dǎo)通時(shí)的電流流向示意圖。
圖5為本發(fā)明控制電路原理圖。
圖6為本發(fā)明功率管驅(qū)動(dòng)電路原理圖。
圖7為本發(fā)明位置傳感器檢測(cè)電路原理圖。
圖8為開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成圖。
具體實(shí)施例方式參見(jiàn)圖3，本實(shí)施例采用三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)，并設(shè)置三相逆變橋功率變換器。
如圖2、圖3所示，開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)配置比為12/8，因此該電動(dòng)機(jī)每45°機(jī)械角度等于360°電角度。圖中示出，該電動(dòng)機(jī)每相繞組有兩條支路，每條支路的兩個(gè)繞組反向串聯(lián)，各相尾尾相連構(gòu)成三相星型接法。如在A相中，以繞組a1和a1’反向串聯(lián)構(gòu)成一條支路，以繞組a2和a2’反向串聯(lián)構(gòu)成另一條支路。B相和C相也為同樣的結(jié)構(gòu)設(shè)置。
圖3所示，功率變換器采用由六只功率管V1、V4、V2、V5、V3、V6構(gòu)成的三相逆變橋功率變換器，每只功率管內(nèi)部自帶反向并聯(lián)的續(xù)流二極管；三相逆變橋臂分別與三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的三相繞組首端相連。
在三相逆變橋功率變換器中，功率管V1、V2、V3、V4、V5、V6以電角度720°為周期，分為12個(gè)通電狀態(tài)，導(dǎo)通順序?yàn)閂1V6-V1-V1V5-V5-V3V5-V3-V3V4-V4-V2V4-V2-V2V6-V6，周而復(fù)始。12個(gè)通電狀態(tài)采用對(duì)稱不均勻時(shí)間分布，以相鄰一組雙管導(dǎo)通和一只單管導(dǎo)通構(gòu)成一個(gè)狀態(tài)組，該狀態(tài)組通電時(shí)間為120°電角度，并且雙管導(dǎo)通時(shí)間大于單管導(dǎo)通時(shí)間。如V1V6的通電時(shí)間與V1的通電時(shí)間和為120°電角度，而V1V6的通電時(shí)間可以為80°～100°電角度，V1通電時(shí)間為40°～20°電角度。
圖4示出了本發(fā)明中V1V6-V1-V1V5三個(gè)通電狀態(tài)的電流流向，其它通電狀態(tài)的電流流向依此類(lèi)推。
圖4(a)為V1和V6導(dǎo)通時(shí)的電流流向。此時(shí)電流流動(dòng)方向?yàn)橹绷麟娫碫s正-功率管V1-電動(dòng)機(jī)A相繞組-電動(dòng)機(jī)C相繞組-功率管V6-直流電源Vs負(fù)；圖4(b)為V1導(dǎo)通時(shí)的電流流向圖，由于V6關(guān)斷，電動(dòng)機(jī)C相繞組通過(guò)V3內(nèi)部反并的二極管D3續(xù)流，C相繞組儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到a相繞組，電流流動(dòng)方向?yàn)殡妱?dòng)機(jī)C相繞組-功率管V3內(nèi)部反并的二極管D3-功率管V1-電動(dòng)機(jī)A相繞組-電動(dòng)機(jī)C相繞組；圖4(c)為V1和V5導(dǎo)通時(shí)的電流流向圖，此時(shí)電流流動(dòng)方向?yàn)橹绷麟娫碫s正-功率管V1-電動(dòng)機(jī)A相繞組-電動(dòng)機(jī)B相繞組-功率管V5-直流電源Vs負(fù)。
以上控制方式是利用通電兩相互感的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，迭加于每相自感變化產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之上，這種通電方式可以使三相SR電動(dòng)機(jī)獲得的平均轉(zhuǎn)矩最大，同時(shí)也改善了SR電機(jī)繞組的換流過(guò)程。兩相的互感作用也能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)電能量的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，有效降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。
具體實(shí)施中，作為調(diào)速系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)，由功率變換器、控制電路和位置傳感器三部分組成。功率變換器與電動(dòng)機(jī)繞組的連接方式見(jiàn)附圖3。V1-V6各功率管采用IGBT構(gòu)成三相逆變橋回路。
控制電路如附圖5所示，單片機(jī)AT89C52通過(guò)P0口采集位置傳感器信號(hào)，根據(jù)其信號(hào)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)AH～CL。同時(shí)通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器發(fā)出周期固定、占空比可調(diào)的PWM調(diào)制波。外部中斷INT0接入功率變換器的過(guò)流保護(hù)信號(hào)GL，當(dāng)發(fā)生過(guò)流時(shí)，減小PWM的占空比。
附圖6為功率管IGBT驅(qū)動(dòng)部分電路。圖中GAL16V8為可編程邏輯器件，其輸入端接入單片機(jī)輸出的功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)AH～CL、PWM信號(hào)及功率變換器的過(guò)流信號(hào)GL，輸出為帶調(diào)制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)發(fā)生過(guò)流時(shí)，可以迅速關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。為避免強(qiáng)電信號(hào)干擾控制回路，同時(shí)考慮到功率開(kāi)關(guān)管上下橋的不共地驅(qū)動(dòng)，在控制回路和驅(qū)動(dòng)回路間通過(guò)高速光耦6N139進(jìn)行光電隔離，將6N139副邊的信號(hào)通過(guò)接成施密特電路形式的NE555，即形成IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
如附圖7所示，系統(tǒng)中采用開(kāi)關(guān)型霍爾元件UGS3020作為位置傳感器。通過(guò)與單片機(jī)電源隔離的12V電源為位置傳感器提供電源，高速光耦6N137的3腳接霍爾元件的輸出管腳，將電動(dòng)機(jī)的位置信號(hào)傳遞給單片機(jī)。
權(quán)利要求
1.三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其特征是采用由六只功率管V1、V4、V2、V5、V3、V6構(gòu)成的三相逆變橋功率變換器，每只功率管內(nèi)部自帶反向并聯(lián)的續(xù)流二極管；調(diào)速系統(tǒng)以三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，所述電動(dòng)機(jī)的三相繞組尾尾相連構(gòu)成三相星型接法，三相繞組首端分別與三相逆變橋的三個(gè)橋臂相連。
2.一種權(quán)利要求1所述調(diào)速系統(tǒng)中功率變換器的控制方式，其特征是在所述三相逆變橋功率變換器中，功率管V1、V2、V3、V4、V5、V6以電角度720°為周期，分為12個(gè)通電狀態(tài)，導(dǎo)通順序?yàn)閂1V6-V1-V1V5-V5-V3V5-V3-V3V4-V4-V2V4-V2-V2V6-V6，周而復(fù)始；所述12個(gè)通電狀態(tài)采用對(duì)稱不均勻時(shí)間分布，以相鄰一組雙管導(dǎo)通和一只單管導(dǎo)通構(gòu)成一個(gè)狀態(tài)組，該狀態(tài)組通電時(shí)間為120°電角度，并且雙管導(dǎo)通時(shí)間大于單管導(dǎo)通時(shí)間。
全文摘要
三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及系統(tǒng)中功率變換器的控制方式，采用由六只功率管構(gòu)成的三相逆變橋功率變換器，每只功率管內(nèi)部自帶反向并聯(lián)的續(xù)流二極管；調(diào)速系統(tǒng)以三相開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件，電動(dòng)機(jī)的三相繞組尾尾相連構(gòu)成三相星型接法，三相繞組首端分別與三相逆變橋的三個(gè)橋臂相連，通過(guò)采用行之有效的控制方式，使其相對(duì)于通用的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)不對(duì)稱半橋線路，解決了功率變換器與電動(dòng)機(jī)接線偏多的問(wèn)題，并提高了開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，使開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)在某些場(chǎng)合中能直接取代已有的異步電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。
文檔編號(hào)H02P6/08GK1585260SQ20041004486
公開(kāi)日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月22日
發(fā)明者黃海宏, 張敬華 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)