專利名稱：應(yīng)用于高速電機(jī)的一種控制策略的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速電機(jī)的控制策略，屬于電機(jī)控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著軍工及民用對高速電機(jī)的需求，高速電機(jī)已成為國內(nèi)外電工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 之一。高速電機(jī)通常是指轉(zhuǎn)速超過lOOOOr/min的電機(jī)，其主要特點(diǎn)為轉(zhuǎn)速高，體積小，功率 密度大，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如高速磨床、高速陀螺儀、高速飛輪儲能系統(tǒng)、高速離心 壓縮機(jī)等等。上世紀(jì)末以來，英美等發(fā)達(dá)國家都開展了對高速電機(jī)的研究，美國麻省理工學(xué)院 電磁和電子系統(tǒng)實驗室研究的5麗高速感應(yīng)發(fā)電機(jī)；英國Turbo Genset公司推出的以 1. 2MW高速永磁發(fā)電機(jī)為核心的移動電站。美國Calnetix公司開發(fā)的艦用2MW高速永磁發(fā) 電機(jī)。近些年，國內(nèi)對高速電機(jī)的研究也在不斷發(fā)展，在小功率的發(fā)電機(jī)或電動機(jī)上取得了 一定的研究成果，天津電力公司技術(shù)中心與浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院研制了 2. 3KW，15萬r/ min的超高速永磁無刷直流電機(jī)樣機(jī)及其控制系統(tǒng)。目前作為高速電機(jī)的代表之一并已被大量應(yīng)用在高速電機(jī)領(lǐng)域的Halbach電機(jī)， 是基于美國學(xué)者Klaus Halbach提出的Halbach列設(shè)計思想而產(chǎn)生的。英國Sieffield大 學(xué)、美國Ohio state大學(xué)、日本的大阪省大學(xué)、瑞典的蘇黎世大學(xué)等國外高校都對Halbach 電機(jī)做了深入的研究。國內(nèi)的浙江大學(xué)、南京航空航空航天大學(xué)等高校對Halbach電機(jī)也 進(jìn)行了研究，其中05年南京航空航天大學(xué)的嚴(yán)仰光教授等提出了一種高氣隙磁密和高功 率密度的新結(jié)構(gòu)高速電機(jī)-Halkich雙凸極電機(jī)。目前常規(guī)電機(jī)的控制策略為，電動機(jī)運(yùn)行時，輸入直流電，經(jīng)三相橋式逆變電路工 作；發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，三相繞組經(jīng)二極管整流輸出直流電。電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩主要是通過對三 相逆變電路中的開關(guān)管高頻調(diào)制，從而調(diào)節(jié)加在電機(jī)繞組上的電流來實現(xiàn)，其控制策略主 要分為雙斬調(diào)制方式、單斬調(diào)制方式、輪換單斬調(diào)制方式。但是高速電機(jī)工作在高速場合， 其相應(yīng)的開關(guān)管的工作頻率高，損耗大。高頻調(diào)制方式下的續(xù)流階段，電流是通過功率開關(guān) 管的體二極管或集成二極管實現(xiàn)的，損耗大，通常的功率管體二極管存在反向恢復(fù)時間較 長的缺點(diǎn)。本專利提出了一種電機(jī)控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——直流輸入端后接高頻功率斬波管和 續(xù)流二極管，再通過三相橋式逆變電路與繞組連接，續(xù)流二級管采用反向恢復(fù)時間短的二 極管(例如低壓應(yīng)用場合采用肖特基二極管)。它不但繼承了高頻調(diào)制轉(zhuǎn)速控制原有的優(yōu) 點(diǎn)，而且避免了體二極管的續(xù)流模態(tài)，利用續(xù)流二極管的反向恢復(fù)快的優(yōu)點(diǎn)，減小了損耗， 提高了效率，優(yōu)化了控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在傳統(tǒng)的三相電機(jī)控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合損耗及可靠性因素，提出了一種 新型的三相電機(jī)控制策略，用以解決高速電機(jī)在高速運(yùn)行情況下，高開關(guān)頻率的損耗等問
該控制方式主要特征在于采用附加功率管及二極管的結(jié)構(gòu)。通過高頻調(diào)制控制 附加的功率開關(guān)管實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，利用附加續(xù)流二極管參與電機(jī)繞組的續(xù)流。三 相逆變電路中的開關(guān)管采用120°導(dǎo)通方式工作，并在續(xù)流狀態(tài)下，對三相繞組進(jìn)行換相。 控制電路的組合結(jié)構(gòu)如下直流輸入，濾波電容，功率開關(guān)管，二極管，三相逆變電路，電機(jī) 繞組。本專利采用的三相逆變電路附加功率管及二極管的組合電路，實現(xiàn)對電機(jī)的控 制，其優(yōu)點(diǎn)是(1)繼承了傳統(tǒng)高頻調(diào)制控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的優(yōu)勢，并由傳統(tǒng)的對三個(單斬模式)功 率管的高頻調(diào)制簡化為對主電路中一個功率管的高頻調(diào)制控制。(2)續(xù)流狀態(tài)由附加的具有短恢復(fù)時間特點(diǎn)的二極管實現(xiàn)，實現(xiàn)了功率電路的能 量反饋，減小了高頻狀態(tài)下二極管的損耗。(3)續(xù)流狀態(tài)進(jìn)行換相，實現(xiàn)了零電壓開關(guān)，減小了損耗。


圖1是附加功率管及二極管的三相電機(jī)控制電路圖。圖2為控制電路中功率開關(guān)管的觸發(fā)信號圖1——圖2的主要符號名稱(I)Uin~輸入直流電壓。(2)C——濾波電容。(3) Q——附加的高頻功率開關(guān)管。(4)D——附加的續(xù)流二極管。(5)A-Q6——分別為三相橋式 逆變電路的功率開關(guān)管。(S)D1-D6——功率管的體內(nèi)二極管或集成二極管。
具體實施例方式本專利的電路拓?fù)淙鐖D1所示，是在傳統(tǒng)的三相逆變控制電路的基礎(chǔ)上，增加了 功率管及二極管結(jié)構(gòu)，其連接方式是在降壓式電路的基礎(chǔ)上減少了電感器件。開關(guān)管的控 制方式上，各功率管的觸發(fā)信號如圖2所示。具體的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。主體上由直流輸入，功率開關(guān)管和續(xù)流二極管，三 相逆變電路，三相電機(jī)繞組，輸入濾波電容。其連接方式為開關(guān)管Q的漏極與輸入直流電 源Uin的正輸入端相連，柵極輸入為高頻調(diào)制信號。源極與三相逆變電路的正輸入端相連。 續(xù)流二級管D的陰極與功率管源極相連，二極管D陽極與輸入直流電源的負(fù)輸入端相 連。主電路采用常規(guī)電機(jī)控制策略與三相繞組相連，功率管A漏極與功率管Q源極相連，功 率管A源極與功率管％漏極相連組成串聯(lián)電路，功率管％源極與直流輸入負(fù)輸入端相連。 同理，功率管％與仏，Q5與％組成串聯(lián)方式，并聯(lián)于續(xù)流二極管D的兩端。各功率管觸發(fā)控制信號如圖2所示。工作方式高頻調(diào)制控制功率管Q，三相逆變 電路中的各開關(guān)管開通區(qū)間為120°電角度，每360°電角度開關(guān)一次。續(xù)流狀態(tài)通過二極 管D實現(xiàn)，且三相繞組間換相選擇續(xù)流工作狀態(tài)進(jìn)行。具體工作次序取一個工作周期360° 0° -60°，A與A持續(xù)導(dǎo)通，當(dāng)Q管導(dǎo)通時，直流電源Uin經(jīng)Q-Q「AI作；當(dāng)Q管關(guān)斷時，電 路通過A-D-A續(xù)流工作。60° -120°，首先在Q管關(guān)斷的續(xù)流狀態(tài)進(jìn)行換相，關(guān)閉A管， 開通％管，Q管導(dǎo)通，Uin經(jīng)Q-Q1-A工作；Q管關(guān)斷，電路通過續(xù)流工作。其余功率 管導(dǎo)通方式依次是120° -180°，Qon =Q-Q3-Gl6，續(xù)流=Q3-D-Gj6 ； 180° -240° , Qon =Q-Q3-Q2,續(xù)流=Q3-D-Q2 ；240° -300°，Qon =Q-Q5-Q2，續(xù)流=Q5-D-Q2 ；300° -360°，Qon =Q-Q5-Q4,續(xù)流 Q5-D-Q40 當(dāng)控制電路如圖1、圖2工作時，實現(xiàn)了將常規(guī)的對三個或者六個功率管的高頻斬 波簡化為對一個功率管的斬波控制，利用反向恢復(fù)時間短的二級管來進(jìn)行續(xù)流，解決了體 二極管或集成二極管的反向恢復(fù)時間長的問題，并在續(xù)流階段實現(xiàn)換相，減小了電路的開 關(guān)損耗，優(yōu)化了控制電路的工作性能。
權(quán)利要求
1.電路結(jié)構(gòu)上三相橋式逆變電路前加高頻功率開關(guān)管，反向恢復(fù)時間短的續(xù)流二極管。
2.控制方式上斬波管使用高頻調(diào)制控制，三相橋式電路中功率開關(guān)管導(dǎo)通區(qū)間為 120°電角度，每360°電角度開關(guān)一次，并在續(xù)流狀態(tài)下實施換相。
全文摘要
在高速電機(jī)的控制方式中，傳統(tǒng)的三相橋式逆變電路，開關(guān)頻率高，損耗大，器件容易發(fā)生故障。本發(fā)明提出一種優(yōu)化的高速電機(jī)控制策略，解決了高開關(guān)頻率的損耗問題，提高了系統(tǒng)效率及可靠性。其電路特征如下在常規(guī)電機(jī)的三相逆變電路之前加斬波管和續(xù)流管。斬波管選用高開關(guān)頻率的功率開關(guān)管，通過對其高頻斬波，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制；續(xù)流管采用反向恢復(fù)時間短的二極管，實現(xiàn)續(xù)流。控制方法上，功率管采用高頻調(diào)制，三相電路的各功率管開通區(qū)間均為120°電角度，每360°電角度開關(guān)一次，續(xù)流狀態(tài)實施換相。
文檔編號H02P27/06GK102064755SQ20101061272
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者王慧貞, 陳偉鵬 申請人:南京航空航天大學(xué)