專利名稱：三相開關(guān)磁阻電動機(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)，更具體地說是開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(Switched Reluctance Drive，簡稱SRD)是80年代中期發(fā)展起來的新型交流調(diào)速系統(tǒng)，它融開關(guān)磁阻電動機(jī)(Switched Reluctance Motor，簡稱SR電動機(jī))與電力電子技術(shù)、控制技術(shù)于一體，兼有異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)和直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點，應(yīng)用在牽引運輸、通用工業(yè)、航空工業(yè)和家用電器等各個領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的市場競爭力。
磁阻電動機(jī)不能像籠型感應(yīng)電動機(jī)那樣直接接入電網(wǎng)作穩(wěn)態(tài)運行，而必須與驅(qū)動電源一同使用。從功能部件上分，SRD由磁阻電動機(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關(guān)管的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對磁阻電動機(jī)運行狀態(tài)的控制。
開關(guān)磁阻電動機(jī)單位體積出力明顯優(yōu)于異步電動機(jī)，而且其結(jié)構(gòu)簡單堅固，轉(zhuǎn)子上沒有繞組，甚至比以結(jié)構(gòu)簡單著稱的籠型異步電動機(jī)還要簡單，且轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度極高，可以超高速運轉(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，開關(guān)磁阻電動機(jī)SR的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(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)所示的不對稱半橋線路是SRD的常用功率變換器。電動機(jī)每相有兩個功率開關(guān)管和兩個續(xù)流二極管，繞組位于兩個開關(guān)管之間，根本上避免了功率開關(guān)管直通短路現(xiàn)象，以此為功率變換器的SRD在國內(nèi)已比較成熟。
但這種功率變換器造成SR電動機(jī)運行性能不高，如轉(zhuǎn)矩脈動大、噪聲大，并且功率變換器與SR電動機(jī)的接線較多，目前應(yīng)用比較多的三相開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中SR電動機(jī)與此功率變換器就需要6根連接線。而相應(yīng)的異步電動機(jī)和直流無刷電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中電動機(jī)與功率邊變換器的連接線則只需3根。因此若想在某些場合以SR電動機(jī)取代已應(yīng)用比較成熟的異步電動機(jī)和直流無刷電動機(jī)，SR電動機(jī)與功率變換器的連接線問題成為不得不考慮的問題，尤其對于某些手持式電動工具，電動機(jī)與驅(qū)動電源通過長電纜連接，附圖1(a)所示的不對稱半橋線路造成過多的連接線成為SR電動機(jī)應(yīng)用的主要障礙。
作為調(diào)速系統(tǒng)中的驅(qū)動電源，附圖1(b)所示的三相逆變橋功率變換器目前多應(yīng)用在異步電動機(jī)和直流無刷電動機(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)通順序為V1V5-V2V6-V3V4，各個狀態(tài)導(dǎo)通時間均勻分布，3個通電狀態(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同時導(dǎo)通，其它4個功率管截止，此時該功率電路經(jīng)功率管V1、電動機(jī)a相繞組、電動機(jī)b相繞組和功率管V5形成回路，電動機(jī)a相和b相繞組的勵磁電流與電動機(jī)轉(zhuǎn)子相作用，產(chǎn)生令電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。
2、考慮到V1V5切換到V2V6時，電動機(jī)b相繞組的勵磁電流的流向要進(jìn)行相反的變化，在其它通電狀態(tài)切換時，其它兩相繞組也存在該問題，在實際電路控制中必須考慮電動機(jī)繞組的電流換向和電流衰減的過程，即換流和續(xù)流問題。因此三相逆變橋回路還有一種通電方式，其導(dǎo)通順序為V1V6-V1V5-V3V5-V3V4-V2V4-V2V6，各個狀態(tài)導(dǎo)通時間均勻分布，這6個狀態(tài)各占60°電角度。
通過理論計算和實踐檢驗，將上述兩種通電方式直接應(yīng)用于以三相逆變橋為功率變換器的三相開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，SR電動機(jī)的應(yīng)用效果與采用不對稱半橋功率變換器的SR電動機(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)所存在的問題，提供一種以三相逆變橋為功率變換器的三相開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，為開關(guān)磁阻電動機(jī)在某些場合中能直接取代已有的異步電動機(jī)和直流無刷電動機(jī)創(chuàng)造條件。同時，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，以使三相開關(guān)磁阻電動機(jī)的性能得到很好的發(fā)揮。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是本發(fā)明三相開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點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)以三相開關(guān)磁阻電動機(jī)作為執(zhí)行元件，電動機(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個通電狀態(tài)，導(dǎo)通順序為V1V6-V1-V1V5-V5-V3V5-V3-V3V4-V4-V2V4-V2-V2V6-V6，周而復(fù)始；所述12個通電狀態(tài)采用對稱不均勻時間分布，以相鄰一組雙管導(dǎo)通和一只單管導(dǎo)通構(gòu)成一個狀態(tài)組，該狀態(tài)組通電時間為120°電角度，并且雙管導(dǎo)通時間大于單管導(dǎo)通時間。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、本發(fā)明解決了采用不對稱半橋功率變換器電動機(jī)電源線過多的問題，電動機(jī)與功率變換器連線僅為3根，與異步電動機(jī)和直流無刷電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)接線形式相同，可直接取代異步電動機(jī)和直流無刷電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。
2、本發(fā)明通過采用適當(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電動機(jī)與應(yīng)用于不對稱半橋功率變換器的SR電動機(jī)相比，定子繞組匝數(shù)可大幅度減少，可進(jìn)一步提高SR電動機(jī)的單位體積出力。
3、本發(fā)明采用電動機(jī)兩相勵磁方式，與SR電動機(jī)應(yīng)用于不對稱半橋功率變換器相比，可降低SR電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲，提高SR電動機(jī)的運行性能。
4、本發(fā)明針對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)用在異步電動機(jī)和直流無刷電動機(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電動機(jī)獲得的平均轉(zhuǎn)矩最大，同時也改善了SR電機(jī)繞組的換流過程。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)矩脈動和噪聲。


圖1(a)為已有技術(shù)中應(yīng)用在SRD中不對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機(jī)或直流無刷電動機(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機(jī)繞組連接原理圖。
圖4為本發(fā)明中V1V6-V1-V1V5三個通電狀態(tài)的電流流向示意圖。
圖4(a)為V1和V6導(dǎo)通時的電流流向示意圖。
圖4(b)為V1導(dǎo)通時的電流流向示意圖。
圖4(c)為V1和V5導(dǎo)通時的電流流向示意圖。
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)動電路原理圖。
圖7為本發(fā)明位置傳感器檢測電路原理圖。
圖8為開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成圖。
具體實施例方式參見圖3，本實施例采用三相開關(guān)磁阻電動機(jī)，并設(shè)置三相逆變橋功率變換器。
如圖2、圖3所示，開關(guān)磁阻電動機(jī)的定、轉(zhuǎn)子齒數(shù)配置比為12/8，因此該電動機(jī)每45°機(jī)械角度等于360°電角度。圖中示出，該電動機(jī)每相繞組有兩條支路，每條支路的兩個繞組反向串聯(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關(guān)磁阻電動機(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個通電狀態(tài)，導(dǎo)通順序為V1V6-V1-V1V5-V5-V3V5-V3-V3V4-V4-V2V4-V2-V2V6-V6，周而復(fù)始。12個通電狀態(tài)采用對稱不均勻時間分布，以相鄰一組雙管導(dǎo)通和一只單管導(dǎo)通構(gòu)成一個狀態(tài)組，該狀態(tài)組通電時間為120°電角度，并且雙管導(dǎo)通時間大于單管導(dǎo)通時間。如V1V6的通電時間與V1的通電時間和為120°電角度，而V1V6的通電時間可以為80°～100°電角度，V1通電時間為40°～20°電角度。
圖4示出了本發(fā)明中V1V6-V1-V1V5三個通電狀態(tài)的電流流向，其它通電狀態(tài)的電流流向依此類推。
圖4(a)為V1和V6導(dǎo)通時的電流流向。此時電流流動方向為直流電源Vs正-功率管V1-電動機(jī)A相繞組-電動機(jī)C相繞組-功率管V6-直流電源Vs負(fù)；圖4(b)為V1導(dǎo)通時的電流流向圖，由于V6關(guān)斷，電動機(jī)C相繞組通過V3內(nèi)部反并的二極管D3續(xù)流，C相繞組儲存的能量轉(zhuǎn)移到a相繞組，電流流動方向為電動機(jī)C相繞組-功率管V3內(nèi)部反并的二極管D3-功率管V1-電動機(jī)A相繞組-電動機(jī)C相繞組；圖4(c)為V1和V5導(dǎo)通時的電流流向圖，此時電流流動方向為直流電源Vs正-功率管V1-電動機(jī)A相繞組-電動機(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電動機(jī)獲得的平均轉(zhuǎn)矩最大，同時也改善了SR電機(jī)繞組的換流過程。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)矩脈動和噪聲。
具體實施中，作為調(diào)速系統(tǒng)中的驅(qū)動電源系統(tǒng)，由功率變換器、控制電路和位置傳感器三部分組成。功率變換器與電動機(jī)繞組的連接方式見附圖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P0口采集位置傳感器信號，根據(jù)其信號，計算出對應(yīng)的功率管驅(qū)動信號AH～CL。同時通過內(nèi)部定時器發(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流保護(hù)信號GL，當(dāng)發(fā)生過流時，減小PWM的占空比。
附圖6為功率管IGBT驅(qū)動部分電路。圖中GAL16V8為可編程邏輯器件，其輸入端接入單片機(jī)輸出的功率開關(guān)管驅(qū)動信號AH～CL、PWM信號及功率變換器的過流信號GL，輸出為帶調(diào)制的驅(qū)動信號。當(dāng)發(fā)生過流時，可以迅速關(guān)斷驅(qū)動信號，實現(xiàn)過流保護(hù)。為避免強(qiáng)電信號干擾控制回路，同時考慮到功率開關(guān)管上下橋的不共地驅(qū)動，在控制回路和驅(qū)動回路間通過高速光耦6N139進(jìn)行光電隔離，將6N139副邊的信號通過接成施密特電路形式的NE555，即形成IGBT的驅(qū)動信號。
如附圖7所示，系統(tǒng)中采用開關(guān)型霍爾元件UGS3020作為位置傳感器。通過與單片機(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，將電動機(jī)的位置信號傳遞給單片機(jī)。
權(quán)利要求
1.三相開關(guān)磁阻電動機(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)以三相開關(guān)磁阻電動機(jī)作為執(zhí)行元件，所述電動機(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個通電狀態(tài)，導(dǎo)通順序為V1V6-V1-V1V5-V5-V3V5-V3-V3V4-V4-V2V4-V2-V2V6-V6，周而復(fù)始；所述12個通電狀態(tài)采用對稱不均勻時間分布，以相鄰一組雙管導(dǎo)通和一只單管導(dǎo)通構(gòu)成一個狀態(tài)組，該狀態(tài)組通電時間為120°電角度，并且雙管導(dǎo)通時間大于單管導(dǎo)通時間。
全文摘要
三相開關(guān)磁阻電動機(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)以三相開關(guān)磁阻電動機(jī)作為執(zhí)行元件，電動機(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橋臂相連，通過采用行之有效的控制方式，使其相對于通用的開關(guān)磁阻電機(jī)不對稱半橋線路，解決了功率變換器與電動機(jī)接線偏多的問題，并提高了開關(guān)磁阻電動機(jī)的運行性能，使開關(guān)磁阻電動機(jī)在某些場合中能直接取代已有的異步電動機(jī)和直流無刷電動機(jī)。
文檔編號H02P6/08GK1585260SQ20041004486
公開日2005年2月23日 申請日期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 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)