开关磁阻电机启动与发电系统功率变换器件设计技术方案

本发明专利技术涉及一种开关磁阻电机启动/发电系统功率变换器件装置的设计，设计了主电路拓扑结构和其参数确定；利用MC1413可以增强控制信号的驱动能力完成了驱动电路的设计；并实现了电流缓冲电路设计和参数的确定。实现功率变换器与电机结构匹配、效率高、控制方便、结构简单、成本低等基本要求，并实现主开关器件调制,有效地控制相电流，在绕组磁链减少的同时,能将能量回馈给电源的功能。

【技术实现步骤摘要】
开关磁阻电机启动与发电系统功率变换器件设计
本专利技术涉及开关磁阻电机启动发电系统功率变换器件的设计。
技术介绍
开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMachine，简称SRM)是随着现代微机控制技术、电力电子技术以及计算机辅助设计技术发展起来的一种新型电机，它具有结构简单、坚固、成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高、适于高速与恶劣环境运行等优点,已逐渐在迅猛发展的调速电动机领域内争得一席之地，并在牵引运输、通用工业、航空工业、家用电器等领域得到了较广泛的应用。开关磁阻电机能方便地实现机械能和电能之间的双向转换，因此在电子控制器的作用下，既可作电动机(SRD)运行，也可作发电机(SRG)运行。它作为SRD或SRG运行具有不同于其它电机的独特的特点。1)SRM采用双凸极结构，只有定子上绕有集中绕组，转子上没有绕组及磁钢，使得电机结构十分简单，成本低廉，工作可靠，易于维护；转子没有绕组，一方面使转子基本没有涡流损耗，效率提高，另一方面，使得电机转速高低仅受限于转子所用材料的结构强度，因而电机可以在很高转速下运行，可以提高能流密度，同时，只在定子上绕有集中绕组，使冷却方便。2)SRD具有优良的起动性能：起动转距大，起动电流小，起动时间短。3)SRG无论从物理方面还是电磁方面来说，定子各相间都是相互独立的，耦合较弱，，因而在出现一相甚至两相故障的情况下，仍然有一定的电能输出，表现出良好的容错能力。4)SRD/G的可控参数较多，可以通过调节开通角和关断角实现角度位置控制(AngularPositionControl，简称APC)或通过斩波方式调节励磁电流实现电流斩波控制(CurrentChoppingControl，简称CCC),还可以在他励情况下进行励磁电压调节来控制输出功率(VoltageControl，简称VC)。较多的可控参数控制方式使SRD/G可在转速大幅度变化中调节输出以满足负载要求，表现出良好的调节性能。5)SRG是一种可控电流源，可以高效转换机械能为脉冲电能输出。带有滤波元件(如电容)或贮能装置(如蓄电池)可作为直流电源应用，配备相应变换器也可作为交流电源应用。6)SRG具有串励特性，过载能力强。综上所述，SRM具有许多优越于其他电机的性能特点，但是它同样也存在一些有待解决的问题，主要集中在以下几个方面：1)SRD/G都必须要位置闭环控制，因此通常要用转子位置检测器，这增加了电机结构的复杂性，从而使工作可靠性受到影响。虽然已有若干无直接位置检测方案，但有待进一步成熟化。2)SRM是一非线性系统，双凸极结构、非线性磁特性加上开关器件及控制的非线性，使得分析、设计、研究都带来许多困难和模糊性，特别是优化的电机及控制系统设计还待深入探讨。此外，SR电机双凸极结构的运行原理决定了其合成转矩具有脉动的特点，这种脉动会引起电机振动，而振动又会引起噪音过大。
技术实现思路
本专利技术的目的是为满足功率变换器与电机结构匹配、效率高、控制方便、结构简单、成本低等基本要求,设计了一种新型功率变换装置。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型功率控制变换装置，包括：(1)主电路拓扑结构设计采用双开关式主电路，这种主电路形式也被称为不对称桥式结构。采用的是N沟道的功率型MOSFET。因为MOSFET具有很高的输入阻抗，属于电压驱动型开关管，栅极要求驱动电流很小，驱动损耗小，而且，MOSFET没有少数载流子存储时间，因此，它的开关延时很短，具有更快的开关速度和很高的开关频率。这些特性对于开关磁阻发电系统来说，具有很重要的意义。考虑到开关磁阻发电系统的开关频率较高，尤其在电流斩波或PWM调压控制时，要求续流二极管具有反向恢复时间短，反向恢复电流小、具有软恢复特性，这有助于减小功率变换器的开关损耗、限制主开关和续流二极管上的电流、电压振荡和电压尖峰。因此，这里选择的是快恢复二极管。至于电压定额，因为是低压系统，所以定额要求不高。主开关和续流二极管所承受的电压只是蓄电池电压，而这里采用的蓄电池电压体制是24V，最高也不过35V，考虑安全裕量及管子成本，这里采用的MOSFET是FQA140N10(耐压100V，最大电流达140A)，采用的续流二极管是RHRG75120(耐压1200V，最大电流75A)。(2)驱动电路的设计驱动电路的设计是功率变换器设计中重要的一部分。为了能够可靠地驱动主开关，采用了成本较低，驱动可靠的专用集成驱动芯片HCPL3120，主要用于消耗掉开关管在开关过程中栅极电容产生振荡的能量，至于主开关栅源级需并联电阻R3，是因为功率MOSFET的输入电容是低泄漏电容，所以栅极不允许开路或者悬浮，否则会因为静电感应使栅源间的电压上升到大于开启电平而造成误导通，甚至损坏器件。(3)缓冲电路的设计缓冲电路也称为吸收电路，它是大功率变流技术中必不可少的组成部分。缓冲电路的主要作用是用来控制MOSFET等功率器件的关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压，减少功率器件的开关损耗，充分利用MOSFET的功率极限。设计缓冲电路应考虑的因素主要有：功率电路的布局结构、功率等级、工作频率和成本。在该缓冲电路中，采用常用的RCD阻尼吸收关断缓冲电路，如图3所示。图中二极管为快速恢复二极管，用于箝位瞬变电压，电容为耐高压的无感电容，电阻为具有较大功率的水泥电阻，此种关断缓冲电路能有效地限制功率管关断时的浪涌电压，减小功率管关断损耗，但会引起功率管导通附加损耗，而且功率等级不适宜太大，以致于回路寄生电感变大而不能有效地抑制瞬变电压。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是功率变换器主电路拓扑。图2是主开关驱动电路。图3是RCD缓冲电路。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型功率控制变换装置，包括：(1)主电路拓扑结构设计采用双开关式主电路，这种主电路形式也被称为不对称桥式结构，如图1所示。采用的是N沟道的功率型MOSFET。因为MOSFET具有很高的输入阻抗，属于电压驱动型开关管，栅极要求驱动电流很小，驱动损耗小，而且，MOSFET没有少数载流子存储时间，因此，它的开关延时很短，具有更快的开关速度和很高的开关频率。这些特性对于开关磁阻发电系统来说，具有很重要的意义。在功率变换器的主电路中，续流二极管的选择也十分重要。考虑到开关磁阻发电系统的开关频率较高，尤其在电流斩波或PWM调压控制时，要求续流二极管具有反向恢复时间短，反向恢复电流小、具有软恢复特性，这有助于减小功率变换器的开关损耗、限制主开关和续流二极管上的电流、电压振荡和电压尖峰。因此，这里选择的是快恢复二极管。器件参数：关于器件参数的选择，在我们的功率变换器中，主要也是主开关管和续流二极管的参数选择。其中，MOSFET是按最大允许电流IM定标的器件，额定电流一般按下式计算：IM＝(1.5～2)×is(1)式中：is－流过主开关管的电流峰值而续流二极管是按通态平均电流ITav定标的器件，这里，额定电流的计算按式(2)进行式中：Kf－额定输出状态下续流二极管中电流的非正弦波形系数，Kf＝Iph/I本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种开关磁阻电机启动/发电系统功率变换器装置，其特征在于：包括(1)主电路拓扑结构设计采用双开关式主电路，这种主电路形式也被称为不对称桥式结构。采用的是N沟道的功率型MOSFET。(2)驱动电路的设计为了能够可靠地驱动主开关，采用了成本较低，驱动可靠的专用集成驱动芯片HCPL3120。(3)缓冲电路的设计缓冲电路也称为吸收电路，它是大功率变流技术中必不可少的组成部分。缓冲电路的主要作用是用来控制MOSFET等功率器件的关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压，减少功率器件的开关损耗，充分利用MOSFET的功率极限。

【技术特征摘要】
1.一种开关磁阻电机启动/发电系统功率变换器装置，其特征在于：包括(1)主电路拓扑结构设计采用双开关式主电路，这种主电路形式也被称为不对称桥式结构。采用的是N沟道的功率型MOSFET。(2)驱动电路的设计为了能够可靠地驱动主开关，采用了成本较低，驱动可靠的专用集成驱动芯片HCPL3120。(3)缓冲电路的设计缓冲电路也称为吸收电路，它是大功率变流技术中必不可少的组成部分。缓冲电路的主要作用是用来控制MOSFET等功率器件的关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压，减少功率器件的开关损耗，充分利用MOSFET的功率极限。2.如权利要求1所述的(1)中，其特征在于：器件参数：关于器件参数的选择，在我们的功率变换器中，主要也是主开关管和续流二极管的参数选择。其中，MOSFET是按最大允许电流IM定标的器件，额定电流一般按下式计算：IM＝(1.5～2)×is(1)式中：is－流过主开关管的电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：史兵，段锁林，王朋，乔建光，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32