[发明专利]一种开关磁阻电机四电平功率电路及使用方法

说明书

本发明公开了一种开关磁阻电机四电平功率电路及使用方法，在传统的不对称功率变换电路基础上增加了多相独立升压电路部分，包括：公用的升压电容C2，开关管VTA1、VTB1、VTC1，二极管VDA1、VDB1、VDC1。通过控制开关管的导通与关断，可使开关磁阻电机的各相绕组在快速励磁(+2)、快速退磁(‑2)、正常励磁(+1)和零压续流(0)四种状态下独立切换运行，互不干扰。本发明实现了开关磁阻电机各相四电平的独立切换，不仅能够对绕组进行常压励磁，还能对绕组进行快速励磁和快速退磁。功率电路的相数与电机绕组的相数相等，适用于任意相数电机，是一种具有高鲁棒性、高可靠性、紧凑的结构，具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及开关磁阻电机领域，特别是涉及到应用在开关磁阻电机的四电平功率电路。

背景技术

开关磁阻电机驱动系统(SRD)由开关磁阻电机(SRM)、功率变换器、控制器和位置检测装置组成，是一种新型的机电一体化交流调速系统，其结构如图1所示，其中，功率变换器向开关磁阻电动机提供运转所需要的能量。

SRM功率变换电路(以下简称功率电路)拓扑设计是开关磁阻电机功率变换器设计的关键之一，功率变换电路的拓扑结构对SRD系统性能有直接影响，合适的功率变换器可以降低开关磁阻电机的成本，提高开关磁阻电机的动态特性，拓宽开关磁阻电机的应用场合。为此，国内外学者已经提出了多种的功率电路，图2所示的不对称半桥功率变换电路是目前应用最为广泛的一种开关磁阻电机功率变换电路。

不对称半桥变换电路在性能上具有显著优势，可分别对SRM各相绕组实现常压励磁(+1状态)、常压退磁(-1状态)和零压续流(0)，相与相之间是完全独立的，且对电机绕组相数没有任何限制。在不对称半桥变换电路中，每相桥臂由两个主开关器件VTX2和VTX3及两个续流二极管VDX2和VDX3组成。该电路每相绕组具有三种工作模式(如图3所示)，以A相绕组为例：

①开关管VTA2、VTA3开通，二极管VDA2、VDA3反向截止，电源电压UC1加至A相绕组两端，A相绕组运行在快速励磁(+1状态)

②开关管VTA3开通，VTA2关断，二极管VDA2反向截止，VDA3正向导通，A相绕组两端电压为0，A相绕组运行在续流(0状态)；

③开关管VTA2、VTA3关断，二极管VDA3、VDA2正向导通，电源电压UC1反向加至A相绕组两端，电容C1吸收A相绕组的部分磁能，A相绕组运行在常压退磁(-1状态)。

综上所述，不对称半桥功率变换电路在性能上具有显著优势，尤其便于实现灵活的控制策略。

但不对称功率变换电路不能实现SRM绕组的高压励磁(+2状态)和高压退磁(-2状态)，不能满足某些高性能SRD的要求。尤其在电机高速运行时，高压励磁和高压退磁的功能会变得尤为重要。

为了实现SRM绕组的快速励磁和快速退磁，现有技术中，在不对称半桥功率变换电路的基础上进行了改进，提出了如图4所示的四电平功率变换电路，该功率电路能够实现开关磁阻电机各相绕组的快速励磁(+2状态)、快速退磁(-2状态)、常压励磁(+1状态)和零压续流(0状态)四种工作状态。由于该电路只有一个各相公用的升压电路，当Q_CD导通时，各相绕组只能工作在快速励磁(+2状态)、快速退磁(-2状态)和零压续流(0状态)三种工作状态；当Q_CD关断时，各相绕组只能工作在常压励磁(+1状态)、快速退磁(-2状态)和零压续流(0状态)三种工作状态。由此可见，SRM各相绕组不能同时工作在快速励磁(+2状态)和常压励磁(+1状态)，失去了原有的(相对于不对称功率变换电路而言)独立性。这也就限制了多电平功率电路在各相重叠导通运行(导通电角度大于120度)时的应用范围。