一种开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器，适用于开关磁阻电机控制的技术领域。该变换器由前端集成供电电路和多个桥臂单元构成，前端集成电路由1个蓄电池组、1个光伏板电源、2个绝缘栅双极晶体管、1个储能电容和3个续流二极管组成，每个桥臂由2个绝缘栅双极晶体管和2个续流二极管组成，桥臂数量与开关磁阻电机相数相同。本发明专利技术无需复杂的控制策略，结构简单；与传统的功率变换器相比，实现了光伏板电源和蓄电池组组合供电，提高了直流母线电压的同时灵活为蓄电池组充电，提高了电能利用率；单源供电时实现了多电平励磁和退磁，加快了励磁和退磁过程，提高了系统整体效率。

【技术实现步骤摘要】
一种开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器
本专利技术的涉及一种开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器，尤其适用于开关磁阻电机控制
使用。
技术介绍
随着世界人口增长和现代社会经济的快速发展，社会对能源的需求也日益增长，人类面临着能源需求增长和现有能源日益减少的问题，世界各国正在努力解决这一矛盾。近年来世界各国政府和组织一方面大力推广可再生能源的发展，改善能源结构，另一方面通过提升能源生产、变换和消费过程中的效率和质量，去除过多的能源产能，增加有效利用率。在整个开关磁阻电机成本中，功率变换器占有主要比重，而且其性能的好坏对系统性能指标有直接影响，因此，功率变换器设计是提高开关磁阻电机性能和价格比的关键之一。拓扑设计是开关磁阻电动机功率变换器设计的关键，开关磁阻电机功率变换器具有多种变换器拓扑，例如双绕组功率变换器、双极直流功率变换器、不对称半桥功率变换器等，由于不对称半桥拓扑在高压、大功率、电动机相数较少的场合中易于实施灵活的控制策略，不对称半桥拓扑在开关磁阻电机系统中使用最广泛，虽然不对称半桥拓扑应用广泛，但是传统的不对称半桥功率变换器无法满足很多特定场景的要求，而且单一电源供电，直流母线电压不够高，效率和电机性能受限。通过控制电感的上升或下降区域中的相电流，可以分别获得正转矩和负转矩，当励磁电压低时，由于存在于电感减小的区域中的励磁电流，电流缓慢上升并且容易产生负转矩，这不利于改善电动机的性能，但是可以通过增加励磁和消磁电压来消除此负转矩，而且恒定的直流电源无法达到多电平电压，因此在高速运行期间输出转矩受到限制，基于此国内外很多学者对不对称半桥拓扑进行了改进以提高电机性能。例如一种适用于开关磁阻电机的准三电平变换器，可以减少电流的上升和下降次数，但是使用的功率晶体管应该是传统变换器的两倍。另一种采用直流/直流变换器驱动开关磁阻电机，以提高直流电压和速度动态响应，而额外使用的电感和电容器降低了功率密度。还有一种电能储能型功率变换器，由于电路中存在非隔离相，导致其容错能力较差，无法达到提高直流电压的目的。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于针对现有的功率变换器拓扑存在的不足，提出一种结构简单、易于控制、直流母线电压高、效率高、可以灵活充电的开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器。针对上述技术目的，本专利技术的开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器，该变换器由前端集成供电电路和多个桥臂单元构成，桥臂单元的数量与开关磁阻电机的相数相同，每个桥臂单元均与一项电机绕组电感连接，前端集成电路包括1个蓄电池组、1个光伏板电源、2个绝缘栅双极晶体管、1个储能电容和3个续流二极管，每个桥臂包括2个绝缘栅双极晶体管和2个续流二极管在其中；绝缘栅双极晶体管S1、蓄电池组U1、续流二极管D3和光伏板电源U2顺向串联，两个续流二极管D1和续流二极管D2顺向串联，绝缘栅双极晶体管S1的集电极与蓄电池组U1的正极连接，蓄电池组U1的负极与续流二极管D3的负极连接，续流二极管D3的正极与光伏板电源U2的正极连接，光伏板电源U2的负极和储能电容C的负极均与绝缘栅双极晶体管S2的发射极相连接，续流二极管D1的正极与续流二极管D2的负极相连接，续流二极管D1的负极与绝缘栅双极晶体管S1的发射极相连接形成前端集成电路的正极，续流二极管D2的正极与绝缘栅双极晶体管S2的集电极相连接形成前端集成电路的负极，蓄电池组U1的负极、储能电容C的正极和续流二极管D1的正极之间通过导线相互连通；每个桥臂单元中两个绝缘栅双极晶体管与电机绕组电感顺向串联，下面用四相开关磁阻电机为例，x表示a、b、c或d相任意绕组进行说明，续流二极管Dx2的负极和绝缘栅双极晶体管Sx1的发射极均与电机绕组电感Lx的流入端相连接，续流二极管Dx1的正极和绝缘栅双极晶体管Sx2的集电极均与电机绕组电感Lx的流出端相连接，续流二极管Dx1的负极和绝缘栅双极晶体管Sx1的集电极均与前端集成电路的正极连接，续流二极管Dx2的正极和绝缘栅双极晶体管Sx2的发射极均与前端集成电路的负极连接。当给d→a→b→c相绕组依次通电，开关磁阻电机即会逆着励磁顺序的方向连续旋转，同样，若给b→a→d→c相绕组依次通电，则开关磁阻电机同样会逆着励磁顺序的方向连续旋转，但是与前一种通电顺序转向相反；使用U1、U2和U1+U2分别表示前端集成电路的电压，则每相绕组电感Lx的电压UX包括：U1、U2、U1+U2、0、-U1、-U2、-U1-U2总共七种电压水平，并定义绝缘栅双极晶体管开关状态1为导通，0为关断。每个桥臂单元有三种开关状态，分别是励磁状态、斩波续流状态、退磁状态；下面以x表示a、b、c或d相任意绕组进行说明，当开关状态为励磁状态时，x相绕组所在的桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管Sx1和绝缘栅双极晶体管Sx2导通，励磁电流从前端集成电路的正极流出，通过绝缘栅双极晶体管Sx1流入电机绕组电感Lx，再从电机绕组电感Lx流出后经过绝缘栅双极晶体管Sx2流入前端集成电路的负极；当开关状态为斩波续流状态时，x相绕组所在的桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管Sx1关断，绝缘栅双极晶体管Sx2导通，由于绕组电感上的电流不能发生突变，绕组电流缓慢地减少，在绕组电感Lx的作用下配合续流二极管电路开始续流，绕组电感Lx与绝缘栅双极晶体管Sx2和续流二极管Dx2构成续流回路，续流电流从绕组Lx的流出端经过绝缘栅双极晶体管Sx2和续流二极管Dx2回到绕组Lx的流入端；当开关状态为退磁状态时，x相绕组所在的桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管Sx1和绝缘栅双极晶体管Sx2关断，绕组电感Lx与续流二极管Dx1、前端集成电路、续流二极管Dx2构成续流回路，续流电流从绕组电感Lx的流出端经过续流二极管Dx1到达前端集成电路的正极，续流电流再从前端集成电路负极经续流二极管Dx2回到绕组电感Lx的流入端。当变换器仅由蓄电池组U1供电时，绝缘栅双极晶体管S1导通，绝缘栅双极晶体管S2关断，下面以d→a→b→c相绕组依次通电为例，对a相绕组电压变化进行说明，a相绕组电感La的电压包括：U1、U1+U2、0、-U1、-U1-U2共五种电压水平；当a相绕组所在的桥臂单元刚刚进入励磁状态时，d相处于退磁状态，d相续流电流流入绕组电感La帮助a相绕组建立励磁电流，此时相绕组电感La的电压水平为U1+U2，d续流电流在流回前端集成电路的同时，经过续流二极管Dd1、绝缘栅双极晶体管Sa1、相绕组电感La、绝缘栅双极晶体管Sa2和续流二极管Dd2回到前一相绕组；当桥臂单元继续处于励磁状态，d相续流电流不足以支持a相绕组建立励磁电流，蓄电池组U1帮助a相绕组建立励磁电流，此时a相绕组电感La的电压水平变为U1，蓄电池组U1、绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管Sa1、相绕组电感La、绝缘栅双极晶体管Sa2和续流二极管D2构成励磁回路；当a相绕组所在的桥臂单元处于斩波续流状态时，a相绕组电感La的电压水平为0；当a相绕组所在的桥臂单元刚刚开始处于退磁状态时，a相绕组电感La的电压水平为-U1-U2，续流电流从绕组La的流出端经过续流二极管本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器，其特征在于：该变换器由前端集成供电电路和多个桥臂单元构成，桥臂单元的数量与开关磁阻电机的相数相同，每个桥臂单元均与一项电机绕组电感连接，前端集成电路包括1个蓄电池组、1个光伏板电源、2个绝缘栅双极晶体管、1个储能电容和3个续流二极管，每个桥臂包括2个绝缘栅双极晶体管和2个续流二极管在其中；/n绝缘栅双极晶体管S

【技术特征摘要】
1.一种开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器，其特征在于：该变换器由前端集成供电电路和多个桥臂单元构成，桥臂单元的数量与开关磁阻电机的相数相同，每个桥臂单元均与一项电机绕组电感连接，前端集成电路包括1个蓄电池组、1个光伏板电源、2个绝缘栅双极晶体管、1个储能电容和3个续流二极管，每个桥臂包括2个绝缘栅双极晶体管和2个续流二极管在其中；
绝缘栅双极晶体管S1、蓄电池组U1、续流二极管D3和光伏板电源U2顺向串联，两个续流二极管D1和续流二极管D2顺向串联，绝缘栅双极晶体管S1的集电极与蓄电池组U1的正极连接，蓄电池组U1的负极与续流二极管D3的负极连接，续流二极管D3的正极与光伏板电源U2的正极连接，光伏板电源U2的负极和储能电容C的负极均与绝缘栅双极晶体管S2的发射极相连接，续流二极管D1的正极与续流二极管D2的负极相连接，续流二极管D1的负极与绝缘栅双极晶体管S1的发射极相连接形成前端集成电路的正极，续流二极管D2的正极与绝缘栅双极晶体管S2的集电极相连接形成前端集成电路的负极，蓄电池组U1的负极、储能电容C的正极和续流二极管D1的正极之间通过导线相互连通；
每个桥臂单元中两个绝缘栅双极晶体管与电机绕组电感顺向串联，下面用四相开关磁阻电机为例，x表示a、b、c或d相任意绕组进行说明，续流二极管Dx2的负极和绝缘栅双极晶体管Sx1的发射极均与电机绕组电感Lx的流入端相连接，续流二极管Dx1的正极和绝缘栅双极晶体管Sx2的集电极均与电机绕组电感Lx的流出端相连接，续流二极管Dx1的负极和绝缘栅双极晶体管Sx1的集电极均与前端集成电路的正极连接，续流二极管Dx2的正极和绝缘栅双极晶体管Sx2的发射极均与前端集成电路的负极连接。


2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器，其特征在于：当给d→a→b→c相绕组依次通电，开关磁阻电机即会逆着励磁顺序的方向连续旋转，同样，若给b→a→d→c相绕组依次通电，则开关磁阻电机同样会逆着励磁顺序的方向连续旋转，但是与前一种通电顺序转向相反；使用U1、U2和U1+U2分别表示前端集成电路的电压，则每相绕组电感Lx的电压UX包括：U1、U2、U1+U2、0、-U1、-U2、-U1-U2总共七种电压水平，并定义绝缘栅双极晶体管开关状态1为导通，0为关断。


3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器，其特征在于：每个桥臂单元有三种开关状态，分别是励磁状态、斩波续流状态、退磁状态；下面以x表示a、b、c或d相任意绕组进行说明，当开关状态为励磁状态时，x相绕组所在的桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管Sx1和绝缘栅双极晶体管Sx2导通，励磁电流从前端集成电路的正极流出，通过绝缘栅双极晶体管Sx1流入电机绕组电感Lx，再从电机绕组电感Lx流出后经过绝缘栅双极晶体管Sx2流入前端集成电路的负极；当开关状态为斩波续流状态时，x相绕组所在的桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管Sx1关断，绝缘栅双极晶体管Sx2导通，由于绕组电感上的电流不能发生突变，绕组电流缓慢地减少，在绕组电感Lx的作用下配合续流二极管电路开始续流，绕组电感Lx与绝缘栅双极晶体管Sx2和续流二极管Dx2构成续流回路，续流电流从绕组Lx的流出端经过绝缘栅双极晶体管Sx2和续流二极管Dx2回到绕组Lx的流入端；当开关状态为退磁状态时，x相绕组所在的桥臂单元中的绝缘栅双极晶体管Sx1和绝缘栅双极晶体管Sx2关断，绕组电感Lx与续流二极管Dx1、前端集成电路、续流二极管Dx2构成续流回路，续流电流从绕组电感Lx的流出端经过续流二极管Dx1到达前端集成电路的正极，续流电流再从前端集成电路负极经续流二极管Dx2回到绕组电感Lx的流入端。


4.根据权利要求1、2或3所述的开关磁阻电机前端集成多端口功率变换器，其特征在于：当变换器仅由蓄电池组U1供电时，绝缘栅双极晶体管S1导通，绝缘栅双极晶体管S2关断，下面以d→a→b→c相绕组依次通电为例，对a相绕组电压变化进行说明，a相绕组电感La的电压包括：U1、U1+U2、0、-U1、-U1-U2共五种电压水平；当a相绕组所在的桥臂单元刚刚进入励磁状态时，d相处于退磁状态，d相续流电流流入绕组电感La帮助a相绕组建立励磁电流，此时相绕组电感La的电压水平为U1+U2，d续流电流在流回前端集成电路的同时，经过续流二极管Dd1、绝缘栅双极晶体管Sa1、相绕组电感La、绝缘栅双极晶体管Sa2和续流二极管Dd2回到前一相绕组；当桥臂单元继续处于励磁状态，d相续流电流不足以支持a相绕组建立励磁电流，蓄电池组U1帮助a相绕组建立励磁电流，此时a相绕组电感La的电压水平变为U1，蓄电池组U1、绝缘栅双极晶体管S1、绝缘栅双极晶体管Sa1、相绕组电感La、绝缘栅双极晶体管Sa2和续流二极...

【专利技术属性】
技术研发人员：昝小舒，张文远，胡义华，姜智恺，王朝，王鑫，吴宁，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32