晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路，包括三相整流模塊，其輸入端與三相電網(wǎng)相連，輸出端輸出直流電；功率變換電路，其輸入端與三相整流模塊的輸出端相連，輸出端與開關磁阻電機相連；位置傳感器，其安裝在開關磁阻電機定子上，輸出端與主控單元相連；脈沖產生電路，其輸入端與主控單元相連，輸出端與三相整流模塊相連；功率觸發(fā)與繼電保護電路，其輸入端與主控單元相連，輸出端與功率變換電路相連。本發(fā)明根據(jù)位置傳感器采集的信號，經單片機分析處理后，通過功率觸發(fā)與繼電保護電路產生兩路相位互補的脈沖來觸發(fā)晶閘管的導通和換相MOS管的通斷，實現(xiàn)晶閘管的強迫換相，從而解決了晶閘管換相不可靠的技術難題。
【專利說明】晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種功率變換電路，特別涉及一種晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路。
【背景技術】
[0002]開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor:SRM)是繼變頻調速系統(tǒng)、無刷直流電動機調速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代無級調速系統(tǒng)，是集現(xiàn)代微電子技術、數(shù)字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現(xiàn)代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、機、電一體化高新技術產品。它具有調速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調速系統(tǒng)的優(yōu)點:結構簡單、低成本、高效率、優(yōu)良的調速性能和靈活的可控性。目前，開關磁阻電機已廣泛應用于家用電器、航空、航天、電子、機械及電動車輛等領域。
[0003]高電壓、大電流一直是機電控制領域的難題，由于晶閘管具有硅整流器件的特性:能在高壓、大電流條件下工作，體積??；以小功率控制大電流，功率放大倍數(shù)高達幾十萬倍；反應速度快，在微秒級內開通、關斷；無觸點運行，無火花、無噪聲；效率高，成本低且其工作過程可以控制，因此被廣泛應用于可控整流、交流調壓、無觸點電子開關、逆變及變頻調速運動控制系統(tǒng)中?？焖倬чl管的特點是:開通時間和關斷時間短，開關損耗小，能承受較高的電流上升率和電壓上升率，因此它可以在一般晶閘管不能勝任的較高頻率的場合工作。例如，一般快速晶閘管開通時間減少到1-2微秒，關斷時間也只需數(shù)微秒，電流上升率可達數(shù)百安/微秒，所以可以工作在數(shù)十或數(shù)百千周/秒的頻率范圍。而晶閘管能否可靠的開通和關斷，關系到開關磁阻電機能否正常的運行。

【發(fā)明內容】

[0004]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種能夠高壓大電流SRM系統(tǒng)中晶閘管快速換相并且可靠、穩(wěn)定性好的晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路。
[0005]本發(fā)明解決上述問題的技術方案是:一種晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路，包括用于將交流電轉換為直流電的三相整流模塊，其輸入端與三相電網(wǎng)相連，輸出端輸出直流電；用于實現(xiàn)開關磁阻電機關斷和開通的功率變換電路，其輸入端與三相整流模塊的輸出端相連，輸出端與開關磁阻電機相連；用于獲取開關磁阻電機的速度和角位移參數(shù)的位置傳感器，其安裝在開關磁阻電機定子上，輸出端與主控單元相連，將采集到的速度和角位移參數(shù)信號送入主控單元進行處理；用于控制三相整流模塊輸出電壓的脈沖產生電路，其輸入端與主控單元相連，輸出端與三相整流模塊相連；用于功率變換電路中觸發(fā)晶閘管導通和MOS管關斷的功率觸發(fā)與繼電保護電路，其輸入端與主控單元相連，輸出端與功率變換電路相連。
[0006]所述晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路還包括濾波電路，所述濾波電路位于三相整流模塊與功率變換電路之間，用于濾去整流輸出電壓中的紋波。
[0007]所述濾波電路由第一電容器和第二電容器串接構成，第一電容器和第二電容器串接后并接在直流母線的兩端，第一電容器并接有第一電阻，第二電容器并接有第二電阻。
[0008]所述晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路還包括用于檢測三相整流模塊輸出電壓的電壓傳感器，電壓傳感器并聯(lián)在直流母線的兩端，其輸出端與主控單元相連，將采集到的電壓信號送入主控單元進行處理。
[0009]所述晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路還包括用于監(jiān)測母線電流的電流傳感器，電流傳感器串接在直流母線上，其輸出端與主控單元相連，將采集到的電流信號送入主控單元進行處理。
[0010]所述開關磁阻電機的每相定子繞組均與一晶閘管相連，定子繞組與其相對應的晶閘管相連后跨接在直流母線的兩端，通過觸發(fā)晶閘管門極的導通，建立開關磁阻電機繞組電流通路；每相定子繞組均反并聯(lián)一個續(xù)流二極管，當該相關斷時，電流通過二極管進行續(xù)流。
[0011]所述開關磁阻電機的每相定子繞組均連接有一強迫換相電路，每個強迫換相電路均包括MOS管、充電電阻、換相電容和換相電源，其中MOS管的柵極通過一電阻與其源極相連，充電電阻與MOS管的漏極相連，充電電阻與MOS管串接后跨接在換相電源兩端，形成換相電流通路，換相電容的一端與定子繞組相連，另一端與MOS管的漏極相連。
[0012]所述晶閘管為風冷或水冷方式的快速晶閘管，二極管為風冷或水冷方式的快速二極管。
[0013]所述MOS管為耐高壓N溝道場效應管。
[0014]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明根據(jù)位置傳感器采集的信號，經單片機分析處理后，通過功率觸發(fā)與繼電 保護電路產生兩路相位互補的脈沖來觸發(fā)晶閘管的導通和換相MOS管的通斷，實現(xiàn)晶閘管的強迫換相，從而解決了高壓大電流SRM系統(tǒng)中晶閘管換相不可靠的技術難題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的脈沖產生電路原理圖。
[0017]圖3為本發(fā)明的換相電容充電電路原理圖。
[0018]圖4為本發(fā)明的換相電容放電電路原理圖。
[0019]圖5為本發(fā)明的功率變換電路原理圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明包括:三相整流模塊101、濾波電路102、霍爾電流傳感器(HA) 103、霍爾電壓傳感器(取)104、功率變換電路105、開關磁阻電機(5咖)106、1^787脈沖觸發(fā)電路107、MCU主控單元108、功率觸發(fā)與繼電保護電路109、位置傳感器110。
[0022]其中，三相整流模塊101用于將交流電轉換為直流電，其輸入端與三相電網(wǎng)相連，輸出端輸出直流電；濾波電路102位于三相整流模塊101與功率變換電路105之間，用于濾去整流輸出電壓中的紋波；功率變換電路105用于實現(xiàn)開關磁阻電機(SRM)106前一相的關斷和下一相的開通，其輸入端與濾波電路102的輸出端相連，輸出端與開關磁阻電機(SRM)106相連；用于功率變換電路中觸發(fā)晶閘管導通和MOS管關斷的功率觸發(fā)與繼電保護電路，其輸入端與主控單元相連，輸出端與功率變換電路相連。
[0023]TC787脈沖產生電路107用于控制三相整流模塊101輸出電壓，其輸入端與MCU主控單元108相連，輸出端與三相整流模塊101相連；三相整流模塊101的輸出電壓由TC787脈沖產生電路107控制，當它與MCU主控單元108相連的控制信號從0-15V變化時，控制角可在O?180°范圍內連續(xù)同步改變，整流電壓可以從OV到全壓范圍內連續(xù)調壓；整流輸出電壓經過濾波電路102后，可獲得比較穩(wěn)定的直流電壓給開關磁阻電機(SRM) 106供電。
[0024]開關磁阻電機106 (SRM, Switched Reluctance Motor)為三相SRM,具有結構簡單、低成本、高效節(jié)能、可控性能好、控制精度高的優(yōu)點，同時具有運行平穩(wěn)、振動小、噪聲低等優(yōu)點，所以將其應用于晶閘管強迫換相開關磁阻電機系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)調速范圍寬，運行容量大。
[0025]位置傳感器110，安裝在開關磁阻電機(SRM) 106定子上，與MCU主控單元108相連，用于獲取開關磁阻電機(SRM) 106的速度和角位移等參數(shù)；圖1中的霍爾電流傳感器(HA) 103，它串接在直流母線上，輸出端連接MCU主控單元108的AD 口，用于實時監(jiān)測母線電流，當系統(tǒng)異常時，可以切斷控制回路的觸發(fā)脈沖，進行過流保護；圖1中的霍爾電壓傳感器(HV) 104，它并聯(lián)在母線的兩端，用于檢測三相整流模塊101輸出電壓的值，該電壓傳感器(HV) 104的輸出與單片機的AD 口相連，經過尺度變換換算成實際電壓值，根據(jù)控制的需要，可以對開關磁阻電機(SRM) 106進行調壓調速。
[0026]圖1中的功率觸發(fā)和繼電保護電路109，用于產生兩路相位互補的準矩形波，一路用于觸發(fā)晶閘管的導通，另一路用于關斷輔助換相MOS管，具體原理會在圖2中詳細介紹。
[0027]圖2示出了本發(fā)明脈沖產生電路原理圖。如圖2所示，當開關磁阻電機(SRM) 106的位置信號到來時，MCU主控單元108檢測到該上升沿后，控制端子U輸出高電平，這時Q15管導接地，光隔OPl內的發(fā)光二極管導通，這時光隔OPl的后級CE導通，Q13的基極為高電平而導通，GA輸出為高電平用于觸發(fā)快速晶閘管的導通，而Q19管因U為高電平而導通接地，這時Q21管基極為低電平而截止，光隔0P3內的發(fā)光二極管不導通，這時光隔0P3的后級CE不導通，Q17的基極為低電平而截止，bA輸出低電平用于關斷強迫換相MOS管；當開關磁阻電機(SRM) 106的位置信號未到來時，MCU主控單元108檢測到該下降沿后，控制端子U輸出低電平，這時Q15管因基極為低電平而截止，光隔OPl內的發(fā)光二極管不導通，這時光隔OPl的后級CE不導通，Q13的基極為低電平而截止，GA輸出為低，但晶閘管為半控性器件，只有當流過晶閘管的電流低于維持電流時，晶閘管才能截止，因此需配合輔助換相MOS管才能使晶閘管可靠地截止，而Q19管因U為低電平而截止，這時Q21管基極為高電平而導通接地,光隔0P3內的發(fā)光二極管導通，這時光隔0P3的后級CE導通，Q17的基極為高電平而導通，bA輸出高電平用于觸發(fā)強迫換相MOS管的導通。至此，介紹了 A相晶閘管和輔助換相MOS管觸發(fā)脈沖的產生機制，B、C相晶閘管和輔助換相MOS管觸發(fā)脈沖的產生機制跟A相一樣。
[0028]晶閘管只有導通和關斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關特性，這種特性需要滿足一定的條件才能相互轉化:從關斷到導通，陽極電位高于陰極電位且門極具有足夠的正向電壓或電流；維持導通，陽極電位高于陰極電位且陽極電流大于維持電流；從導通到關斷，陽極電位低于陰極電位或陽極電流小于維持電流。[0029]圖3示出了本發(fā)明的換相電容充電電路原理圖。如圖3所示，當快速晶閘管KA導通，MOS管TA截止時，換相電容CA充電極性右正左負，Il是換相電容充電電流路徑。
[0030]圖4示出了本發(fā)明的換相電容放電電路原理圖。如圖4所示，KA需要換相(由導通轉為截止)時，關閉晶閘管觸發(fā)脈沖，觸發(fā)MOS管TA而導通，換相電容CA原充電電壓反極性加在晶閘管KA上而關斷，12是換相電容CA的放電路徑。
[0031]圖5示出了本發(fā)明的功率變換電路原理圖。圖中包括三相整流模塊101、濾波電路102、A相功率變換電路、A相強迫換相電路、B相功率變換電路、B相強迫換相電路、C相功率變換電路和C相強迫換相電路。所述濾波電路102由第一電容器C1和第二電容器C2串接構成，第一電容器C1和第二電容器C2串接后并接在直流母線的兩端，第一電容器C1并接有第一電阻R1，第二電容器C2并接有第二電阻R2;開關磁阻電機(SRM)106的每相定子繞組均與一晶閘管相連，定子繞組與其相對應的晶閘管相連后跨接在直流母線的兩端，通過觸發(fā)晶閘管門極的導通，建立開關磁阻電機繞組電流通路；每相定子繞組均反并聯(lián)一個續(xù)流二極管，當該相關斷時，電流通過二極管進行續(xù)流；開關磁阻電機(SRM) 106的每相定子繞組均連接有一強迫換相電路，每相強迫換相電路均包括MOS管、充電電阻、換相電容和換相電源，其中MOS管的柵極通過一電阻與其源極相連，充電電阻與MOS管的漏極相連，充電電阻與MOS管串接后跨接在換相電源兩端，形成換相電流通路，換相電容的一端與定子繞組相連，另一端與MOS管的漏極相連；所述晶閘管為風冷或水冷方式的快速晶閘管，二極管為風冷或水冷方式的快速二極管；所述MOS管為耐高壓N溝道場效應管。
[0032]由于圖3，圖4已詳細介紹了晶閘管導通與關斷過程，下面以開關磁阻電機(SRM)106A相為例，詳細介紹其SRM導通與輔助換相的過程。如圖5所示，當三相整流橋模塊101的輸出直流電壓DC+，DC- 一定時，開關磁阻電機(SRM) 106的A相繞組與快速晶閘管KA串聯(lián)跨接在直流母線兩端，與A相繞組反極性并聯(lián)的是一個續(xù)流二極管，由此形成A相功率變換電路，而A相強迫換相電路則由換相電容CA、充電電阻RA、強迫換相MOS管TA及換相專用直流穩(wěn)壓電源VCC_S組成。據(jù)圖2分析可知，當位置信號到來時，GA信號輸出高電平，且觸發(fā)電流約為150mA，該信號加至晶閘管KA的門極時，滿足晶閘管從關斷到導通的條件，陽極電位高于陰極電位且門極具有足夠的正向電壓或電流(本發(fā)明選用的快速晶閘管的門極觸發(fā)電流約為IOOmA)，于是晶閘管觸發(fā)導通，同時，bA信號輸出低電平，MOS管TA的柵極和源極為低電平，故MOS不導通。由于晶閘管的導通接地，電容CA的左側為IV左右的管壓降，電容CA的右側與電阻RA相連，此時輔助電源VCC_S通過充電電阻RA給換相電容CA充電，為強迫換相做準備；當位置信號下降沿到來時，GA信號輸出低電平，但晶閘管的AK之間陽極電位高于陰極電位且陽極電流大于維持電流，故晶閘管處于維持導通狀態(tài)，在此同時bA信號輸出高電平，MOS管TA的柵極和源極為高電平，故MOS導通，此時換向電容在上階段積蓄的電能直接接在晶閘管的兩端，理論上只要上階段積蓄的電壓高于晶閘管的管壓降(約IV)且該反向電壓使得晶閘管陽極電流低于維持電流，晶閘管就能截止。實際上由于“反電流效應”，即所謂的“載流子積蓄效應”的存在，電容CA積蓄的電能必須足夠大才能使晶閘管關斷。實驗表明:時間常數(shù)T=RA.CA必須取值適當，如果過大，電容CA充電時間長，沒有足夠的反向電壓加在晶閘管上；如果太小，雖然電容CA充電速度快，但是沒有足夠的能量使晶閘管的陽極電流低于維持電流，從而使晶閘管關斷。
[0033]本發(fā)明根據(jù)位置傳感器采集的信號，經單片機分析處理后，通過功率觸發(fā)與繼電保護電路產生兩路相位互補的脈沖來觸發(fā)晶閘管的導通和換相MOS管的通斷，實現(xiàn)晶閘管的強迫換相，從而解決了高壓大電流SRM系統(tǒng)中晶閘管換相不可靠的技術難題。
[0034]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路，其特征在于:包括用于將交流電轉換為直流電的三相整流模塊，其輸入端與三相電網(wǎng)相連，輸出端輸出直流電；用于實現(xiàn)開關磁阻電機關斷和開通的功率變換電路，其輸入端與三相整流模塊的輸出端相連，輸出端與開關磁阻電機相連；用于獲取開關磁阻電機的速度和角位移參數(shù)的位置傳感器，其安裝在開關磁阻電機定子上，輸出端與主控單元相連，將采集到的速度和角位移參數(shù)信號送入主控單元進行處理；用于控制三相整流模塊輸出電壓的脈沖產生電路，其輸入端與主控單元相連，輸出端與三相整流模塊相連；用于功率變換電路中觸發(fā)晶閘管導通和MOS管關斷的功率觸發(fā)與繼電保護電路，其輸入端與主控單元相連，輸出端與功率變換電路相連。
2.如權利要求1所述的晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路，其特征在于:還包括濾波電路，所述濾波電路位于三相整流模塊與功率變換電路之間，用于濾去整流輸出電壓中的紋波。
3.如權利要求2所述的晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路，其特征在于:所述濾波電路由第一電容器和第二電容器串接構成，第一電容器和第二電容器串接后并接在直流母線的兩端，第一電容器并接有第一電阻，第二電容器并接有第二電阻。
4.如權利要求2所述的晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路，其特征在于:還包括用于檢測三相整流模塊輸出電壓的電壓傳感器，電壓傳感器并聯(lián)在直流母線的兩端，其輸出端與主控單元相連，將采集到的電壓信號送入主控單元進行處理。
5.如權利要求2所述的晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路，其特征在于:還包括用于監(jiān)測母線電流的電流傳感器，電流傳感器串接在直流母線上，其輸出端與主控單元相連，將采集到的電流信號送入主控單元進行處理。
6.如權利要求2所述的晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路，其特征在于:所述開關磁阻電機的每相定子繞組均與一晶閘管相連，定子繞組與其相對應的晶閘管相連后跨接在直流母線的兩端，通過觸發(fā)晶閘管門極的導通，建立開關磁阻電機繞組電流通路；每相定子繞組均反并聯(lián)一個續(xù)流二極管，當該相關斷時，電流通過二極管進行續(xù)流。
7.如權利要求6所述的晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路，其特征在于:所述開關磁阻電機的每相定子繞組均連接有一強迫換相電路，每個強迫換相電路均包括MOS管、充電電阻、換相電容和換相電源，其中MOS管的柵極通過一電阻與其源極相連，充電電阻與MOS管的漏極相連，充電電阻與MOS管串接后跨接在換相電源兩端，形成換相電流通路，換相電容的一端與定子繞組相連，另一端與MOS管的漏極相連。
8.如權利要求7所述的晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路，其特征在于:所述晶閘管為風冷或水冷方式的快速晶閘管，二極管為風冷或水冷方式的快速二極管。
9.如權利要求7所述的晶閘管強迫換相開關磁阻電機功率變換電路，其特征在于:所述MOS管為耐高壓N溝道場效應管。
【文檔編號】H02M7/515GK103501127SQ201310471630
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權日:2013年10月11日
【發(fā)明者】黃運生, 吳國良, 王銀峰, 何平 申請人:湖南開啟時代電子信息技術有限公司