[发明专利]具有高功率因数的切换式磁阻驱动器

说明书

本发明涉及一种切换式磁阻驱动器系统。更具体地说，涉及一种配置成以高功率因数从电源抽取电流的切换式磁阻驱动器系统。

切换式磁阻电机的特性和操作在先有技术中是熟知的，并且例如描述在Stephenson和Blake的“切换式磁阻电动机和驱动器的特性、设计和应用(The Characteristics，Design and Application ofSwitched Reluctance Motors and Drives)”(PCIM’93，Nurnberg，1993年6月21-24日)中，该文章在此引入作为参考。

图1以示意形式表示一种布置成驱动一个负载19的典型切换式磁阻驱动器。该驱动器包括一个带有一个定子和一个转子的切换式磁阻电动机12、一个功率转换器13和一个电子控制单元14。驱动器从直流电源11供电，直流电源11可能是一个电池、或整流和滤波交流电源。由电源11提供的直流电压跨过电动机12的相绕组16由一个功率转换器13在电子控制单元14的控制下切换。

图2表示在控制相绕组16激励的功率转换器13中的典型切换电路。在该电路中，一个开关21连接在电线的正端子与绕组16的一端之间。连接在绕组16另一端与电源负端子之间的是另一个开关22。在开关22与绕组16之间连接有一个二极管23的阳极，二极管23的阴极连接到电源的正极线上。在开关21与绕组16之间连接有另一个二极管24的阴极，二极管24在其阳极处连接到电源的负极线上。开关21和22起把相绕组16连接到直流电源上和与之脱开的作用，从而能激励或脱开绕组16。

切换电路的多种其他配置在先有技术中是熟知的，一些在以上引用的Stephenson和Blake的论文中讨论。

为了驱动器的适当操作，切换必须正确地与转子的转动角度同步。一般采用一个转子位置检测器15，来供给与转子角位置相对应的信号。转子位置检测器15的输出可以用来产生一个速度反馈信号。

转子位置检测器15可以具有多种形式。例如，它可以具有硬件的形式，如图1中示意表示的那样，或由驱动器系统的其他参数计算位置的软件算法的形式，如在EP-A-0573198(Ray)中描述的那样。在一些系统中，转子位置检测器15可能包括一个转子位置传感器，该传感器提供每当转子转动到一个其中需要在转换器13中的装置的不同切换排列的位置时、改变状态的输出信号。

切换式磁阻驱动器基本上是一种其特征在于相绕组16中的电压和电流与在常规电机中发现的那些大不相同的可变速度系统。图3(a)表示由控制器施加到相绕组16上的典型电压波形。在一个预定转子角度处，通过接通转换器13中的开关21和22、和对于给定传导角度θ_c施加恒定电压而施加电压。电流从零升高，一般到达一个峰值并且稍微下降，如图3(b)中所示。当已经通过θ_c时，转换器13中的开关断开，并且能量返回二极管23和24的作用使跨过绕组安置负电压，在电机中产生磁通，并因此电流衰减到零。然后有一个零电流阶段，直到循环重复。显然在θ_c期间相位从电源抽取能量，并且此后把较少的量返回电源。随后图1中表示为11的电源需要是一个低阻抗源，该低阻抗源在其工作循环的部分期间能够接收返回的能量。图3(c)表示在能量供给阶段期间由转换器13供给到相绕组16的电流、和在能量返回阶段期间流回转换器13的电流。

一般，通过整流交流电源实现图1的直流电源11，如图4中所示，其中电源30表示为串联有一个源阻抗34的交流电压源32。在大多数情况下，阻抗34主要是电感性的。该电感能通过添加串联的另外电感性元件而增大。提供一个带有四个端子A、B、C和D的整流器桥36，整流器桥36的两个端子A和C连接到电源30上，另两个端子B和D跨过一个电容器38连接。整流器桥36整流电源的正弦电压，并且其输出电压由电容器38滤波。与电容器38和整流器桥36并联连接的是一个切换式磁阻驱动器39(示意地表示)，一般包括图1中的块12、13和14。

图4中标记有+V和-V的线一般称作直流链，而电容器38称作直流链电容器。

在直流链上没有任何负载存在时，电容器38由电压的连续循环充电到正弦电源30的峰值电压。电容器38的额定值因此必须至少定为电源电压的峰值。随着施加电阻性负载，并且当电源电压低于电容器电压时，从电容器38抽取能量。当整流后的源电压升高到电容器电压以上时，对电容器38充电。