一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于新型功能集成式变换器的开关磁阻电机系统，适用于开关磁阻电机驱动的插电式混合动力汽车。通过控制前端电路开关管的开通和关断，实现多种功能和运行模式，在发电机供电模式下，绕组电压被电池组提高，在电池供电模式下，绕组电压被电容提高，实现了多电平供电，进而加快了绕组的励磁和退磁。由于多电平模式的加入，电机的输出转矩能力得到明显改善。不仅在电动和制动过程中，电池组可以通过绕组复用以及变换器的控制实现充电，而且在汽车静止情况下，电池组也可以由外部电源接入实现灵活的充电，而且不需要任何额外的充电设备。通过控制变换器中各开关管，可以灵活地实现发电机、电池组、外部电源以及电机之间的能量转换。

【技术实现步骤摘要】
一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统
本专利技术属于电机
，具体涉及一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统。
技术介绍
近年来，伴随着不可再生能源的快速消耗和城市中空气的污染程度加重，电动汽车和混合动力汽车逐渐成为了国内外学者的研究热点。电动汽车的排放量要比传统的内燃机汽车低，更加环保和节能，但是电动汽车的电池续航问题一直以来都是困扰学者们的难题。目前，混合动力和插电式混合动力汽车作为电动汽车和内燃机汽车的中间过渡产品，就显得及其重要。作为混合动力汽车的驱动电机，永磁同步电机是现在比较普遍的选择。但是，永磁电机的加工需要利用永磁材料，一方面，稀土资源的开发同样会对环境造成恶劣影响，另一方面，电机在恶劣环境下的性能会受到永磁材料高温退磁现象的影响。因此，很多学者都致力于研发新一代电动汽车的驱动电机。开关磁阻电机是一种具有很强竞争力的电机，作为无稀土电机的典型代表，具有启动转矩大、容错性能好、结构简单坚固、效率高、可靠性好等优点，非常适合电动汽车和混合动力汽车领域的应用。目前很多方案致力于提高电机效率，减小转矩波动，降低电机振动以及故障诊断与容错控制技术等，目的是为了使开关磁阻电机更加适用于电动汽车或者混合动力汽车。但是，在功率变换器的功能集成拓扑方面研究较少。对于开关磁阻电机系统应用于电动汽车方面，一个紧凑而且可靠的功率变换器是必须的。目前已经有很多学者在研究开关磁阻电机的功率变换器拓扑结构。本专利技术提出了一种新型功能集成式功率变换器，适用于开关磁阻电机驱动的插电式混合动力汽车。通过控制前端电路开关管的开通和关断，即可实现多种运行模式，例如多电平模式、发电机供电模式、电池供电模式、混合电源供电模式、运行充电模式以及静止充电模式。在发电机供电模式下，绕组电压被电池组提高，实现了多电平供电，进而加快了绕组的励磁和退磁。在电池供电模式下，由于额外的闲置母线电容，功率变换器自动组成四电平拓扑，同样加快了励磁和退磁过程。由于多电平模式的加入，电机的输出转矩能力得到明显改善。不仅在电动和制动过程中，电池组可以通过绕组复用以及变换器的控制实现充电，而且在汽车静止情况下，电池组也可以由外部电源接入实现灵活的充电，而且不需要任何额外的充电设备。通过控制变换器中各开关管，可以灵活地实现发电机、电池组、外部电源以及电机之间的能量转换。
技术实现思路
在传统的开关磁阻电机不对称半桥驱动拓扑的基础上，本专利技术提出了一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统。本专利技术的技术方案如下：本专利技术公开了一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、交流电机、集成式变换器、电流传感器、位置传感器以及控制器；所述的开关磁阻电机具有三相定子绕组La、Lb和Lc；所述的交流电机作为开关磁阻电机系统的发电机或启动电机；所述的集成式变换器用于为开关磁阻电机实现如下运行模式：多电平模式、发电机供电模式、电池供电模式、混合电源供电模式、运行充电模式以及静止充电模式；所述的电流传感器用于检测电机三相定子绕组上对应的三相绕组电流；所述的位置传感器用于检测电机转子位置；所述的控制器根据三相绕组电流、转子位置以及运行模式需求为集成式变换器中的功率开关器件提供控制信号。所述的功能集成式变换器由一个前端电路和一个不对称半桥功率变换器并联而成；所述的前端电路包括一个交流电机，一个整流电路/逆变器，一个电容器，一个电池组，一个继电器，带反并联二极管的第一开关管、带反并联二极管的第二开关管、第一续流二极管和第二续流二极管；其中，交流电机的输出端与整流/逆变器的输入接口相连，整流电路/逆变器的正极输出端与电容器的一端以及第二续流二极管的阴极相连，整流电路/逆变器的负极输出端与电容器的另一端、第一开关管的一端以及第一续流二极管的阴极相连，第一续流二极管的阳极与电池组的负极相连，电池组的正极与第一开关管的另一端以及第二开关管的一端相连，第二开关管的另一端与第二续流二极管的阳极相连，两个开关管的控制极接收控制器提供的信号；不对称半桥功率变换器由三组功率变换单元并联而成，所述的功率变换单元包含带反并联二极管的第三开关管、带反并联二极管的第四开关管、第三续流二极管和第四续流二极管；第三开关管的一端与第三续流二极管的阴极相连，第三开关管的另一端与对应相定子绕组的首端以及第四续流二极管的阴极相连，第四续流二极管的阳极与第四开关管的一端相连，第四开关管的另一端与对应相定子绕组的尾端以及第三续流二极管的阳极相连。所述的所有带反并联二极管的开关管均采用带反并联快速恢复二极管的CoolMOS管或IGBT。优选的，所述的所有续流二极管均采用快速恢复二极管。附图说明图1为基于开关磁阻电机功能集成式变换器的混合动力汽车示意图。图2为基于前端电路的新型功能集成式变换器电路。图3(a)为前端电路的开关模式1:S01开通,S02开通。图3(b)为前端电路的开关模式2:S01关断,S02开通。图3(c)为前端电路的开关模式3:S01开通,S02关断。图3(d)为前端电路的开关模式4:S01关断,S02关断。图4(a)为集成式变换器的励磁模式E1。图4(b)为集成式变换器的励磁模式E2。图4(c)为集成式变换器的励磁模式E3。图4(d)为集成式变换器的零电压续流模式。图5(a)为集成式变换器的退磁模式D1。图5(b)为集成式变换器的退磁模式D2。图5(c)分别为集成式变换器的退磁模式D3。图5(d)分别为集成式变换器的退磁模式D4。图5(e)分别为集成式变换器的退磁模式D5。图5(f)分别为集成式变换器的退磁模式D6。图6(a)为传统功率变换器供电时的开关磁阻电机相电流和相电压关系。图6(b)为发电机驱动的新型变换器供电时的开关磁阻电机相电流和相电压关系。图6(c)为电池驱动的新型变换器供电时的开关磁阻电机相电流和相电压关系。图6(d)为双电源驱动的新型变换器供电时的开关磁阻电机相电流和相电压关系。图7(a)～(c)分别为双电源能量交换的三个工作阶段示意图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式，对本专利技术的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。图1给出了基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统用于混合动力汽车的示意图，主要由内燃机，交流电机作为发电机或启动电机，储能装置(电池组和电容器)，能量控制单元包括集成式变换器和控制器，以及开关磁阻电机作为汽车动力驱动电机构成，图1中虚线框选部分即为基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统。所提出的新型功能集成式功率变换器是由一个前端电路和一个传统的不对称半桥功率变换器组成，如图2所示。前端电路包括一个交流电机G/M，一个整流电路/逆变器R/I，一个电容器C，一个电池组B，一个继电器J，两个带反并联二极管的开关管(第一开关管S01和第二开关管S02)，两个续流二极管(第一续流二极管D01和第二续流二极管D02)，通过与不对称半桥变换器电路连接，可以实现不同的工作模式。电路中使用的开关管内部均具有反并联快速恢复二极管。在新型电路拓扑中，电池组B用来交互连接发电机实现发电机供电模式的多电平运行，电容C同样用来提升电池组供电模式的母线电压。退磁电流和制动电流可以直接通过第一开关管S01中的反并联二极管回馈电源，用来给电池组充本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、交流电机、集成式变换器、电流传感器、位置传感器以及控制器；其特征在于：所述的开关磁阻电机具有三相定子绕组La、Lb和Lc；所述的交流电机作为开关磁阻电机系统的发电机或启动电机；所述的集成式变换器用于为开关磁阻电机实现如下运行模式：多电平模式、发电机供电模式、电池供电模式、混合电源供电模式、运行充电模式以及静止充电模式；所述的电流传感器用于检测电机三相定子绕组上对应的三相绕组电流；所述的位置传感器用于检测电机转子位置；所述的控制器根据三相绕组电流、转子位置以及运行模式需求为集成式变换器中的功率开关器件提供控制信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于功能集成式变换器的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、集成式变换器、电流传感器、位置传感器以及控制器；其特征在于：所述的开关磁阻电机具有三相定子绕组La、Lb和Lc；所述的集成式变换器由一个前端电路和一个不对称半桥功率变换器并联而成；所述的前端电路包括一个交流电机，一个整流电路/逆变器，一个电容器，一个电池组，一个继电器，带反并联二极管的第一开关管、带反并联二极管的第二开关管、第一续流二极管和第二续流二极管；其中，交流电机的输出端通过继电器与整流电路/逆变器的输入接口相连，整流电路/逆变器的正极输出端与电容器的一端以及第二续流二极管的阴极相连，整流电路/逆变器的负极输出端与电容器的另一端、第一开关管的一端以及第一续流二极管的阴极相连，第一续流二极管的阳极与电池组的负极相连，电池组的正极与第一开关管的另一端以及第二开关管的一端相连，第二开关管的另一端与第二续流二极管的阳极相连，两个开关管的控制极接收控制器提供的信号；不对称半桥功率变换器由三组功率变换单元并联而成，所述的功率变换单元包含带反并联二极管的...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘醇，吴建华，孙庆国，胡义华，王宁，杨仕友，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33