一種抑制開關磁阻電機轉矩脈動的雙母線功率變換器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種開關磁阻電機轉矩脈動抑制的雙母線功率變換器及其控制方法，屬于電機功率變換器拓撲及控制技術領域。
【背景技術】
[0002]開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)僅定子上有繞組，轉子由娃鋼片疊加構成，不僅結構堅固、易于加工、造價低，而且控制靈活、效率高，目前在紡織工業、航空領域以及家用電器均得到一定的應用。但SRM的雙凸極結構和時變非線性電磁特性使得其轉矩脈動、噪聲較大，限制了它的使用范圍。雖然電機本體結構優化可以減小轉矩脈動，但增加了電機制造的難度。直接瞬時轉矩等先進控制算法可以在不改變電機結構的基礎上減小轉矩脈動，但需要精確測量相繞組磁鏈，電磁轉矩，而且電機的效率明顯降低。開關磁阻電機轉矩脈動主要出現在換相過程中，這是因為換相過程中退磁相、勵磁相繞組電流變化速率存在較大差異，導致合成轉矩存在脈動，這一現象在高速、大功率工況下尤為明顯。針對這一問題，本專利提出了一種新型的雙母線功率變換器，它利用退磁繞組能量構建高電壓輔助電源，有效提高了換相期間繞組退磁及勵磁速度，降低了轉矩脈動，顯著提高SRM驅動系統的性能。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是通過所提出的雙母線功率變換器加快電機換相過程，從而消弱退磁相對電機輸出轉矩的影響，降低轉矩脈動。本方面的另一目的是提供該功率變換器的控制方法，它根據退磁相繞組電流變化將換相過程分階段利用電機主電源和輔助電源電壓差異實現對合成轉矩的控制，最終實現減小轉矩脈動的目的。
[0004]本發明的裝置的技術方案為:
[0005]一種開關磁阻電機轉矩脈動抑制的雙母線功率變換器，該功率變換器的輸入電源U1的正極分別與第一電容C1的正極、第四二極管Dsl的陽極和第二電容C2的負極相連，第二電容C2的正極分別與第四開關管集電極、第一二極管D1的陰極、第二二極管02的陰極、第三二極管D3的陰極相連，第一二極管D1的陽極分別與第一開關管集電極、第一繞組La的一端相連，第二二極管D2的陽極分別與第二開關管S 2的集電極、第二繞組L ^勺一端相連，第三二極管D3的陽極分別與第三開關管S 3的集電極、第三繞組L。的一端相連，第四二極管Dsl的陰極分別與第四開關管發射極、第一繞組L屈另一端、第二繞組Lb的另一端、第三繞組L。的另一端分別相連，所述第一開關管S 發射極、第二開關管S2的發射極、第三開關管53的發射極、第一電容C i的陰極、輸入電源U ^勺負極均相連并接地。
[0006]進一步，所述第一電容C1為低壓母線電容，第二電容C2為高壓母線電容，共同構成電機繞組供電雙母線結構。
[0007]本發明的方法的技術方案為:
[0008]一種開關磁阻電機轉矩脈動抑制的雙母線功率變換器控制方法，當以C、A換相時，具體過程為:
[0009]步驟1，電機完成換相，僅C相工作，A、B兩相繞組電流為零，電機輸出轉矩與C相轉矩相等，當轉矩低于設定值?Υ時，第三開關管S 3導通、第四開關管S a斷開，第三繞組L。由主電源供電，相電流ij:升，轉矩增加；當轉矩大于T ^寸，第三開關管S 3斷開、第四開關管Sa導通，繞組電流經第三二極管D 3、第四開關管Sa續流；
[0010]步驟2，換相開始時，第三開關管S3關斷，當轉矩T小于設定值T 4寸，第四開關管Sa、第一開關管時導通，第二電容C^La相繞組供電，加快該相勵磁速度；c相繞組經第四開關管Sa、第三二極管D3續流；當轉矩T大于T H，第四開關管Sa、第一開關管S1斷開，第三繞組Lc通過D 3、C2、Dsl續流，此時繞組電壓與第二電容C 2兩端電壓相等；由于該電壓遠高于主電源電壓，使C相繞組電流下降速度加快，減弱該相負轉矩對電機轉矩的影響；在該過程第二電容C2吸收繞組釋放能量，電壓上升，該階段直至C相電流達到設置值i H;
[0011]步驟3，該階段第四開關管Sa關斷，第一開關管S i導通，C相繞組電流經D 3、C2、Ds1續流，主電源經第一開關管S1向繞組供電，該過程直至C相繞組電流下降至設定值i U
[0012]步驟4，該階段工作過程與步驟2類似，直至C相繞組電流降至零，換相過程結束。
[0013]本發明的有益效果為:與不對稱半橋功率變換器相比，本發明的優點在于僅使用一半的可控性功率器件，降低了功率變換器成本和體積；輔助電源充分利用電機退磁繞組能量，提高了電機效率。由于輔助電源的電壓是主電源電壓的3-4倍，電機換相時間顯著縮短，因此本控制方法在不需要提前開通角、關斷角，簡化了控制策略。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的開關磁阻電機雙母線功率變換器拓撲圖；
[0015]圖2是本發明的開關磁阻電機在非換相狀態時，雙母線功率變換器電路結構圖(以A相為例)；
[0016]圖3是本發明的開關磁阻電機在換相過程中，輔助電源工作條件下雙母線功率變換器電路結構圖(以C相向A相換相為例)；
[0017]圖4是本發明的開關磁阻電機在換相過程中，主電源工作條件下雙母線功率變換器電路結構圖(以C相向A相換相為例)；
[0018]圖5是本發明的雙母線功率變換器退磁相繞組電流分段控制開關時序圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖中的實施例對本發明作進一步的描述。
[0020]本發明的雙母線功率變換器如圖1所示，它由輔助電源及基本功率變換器構成。輔助電源包括電源切換開關Sa、二極管Dsl、電源側電容C1及高壓電容C2 (第二電容)。基本功率變換器一相包括一個開關器件Sx及一個二極管Dx(x表不不同相)，開關器件導通時繞組電流上升，電機輸出轉矩增加；當該器件關斷時，繞組電流經二極管釋放，降低電機輸出轉矩。三相結構相同，共同構成基本功率變換器。
[0021]圖1?圖5中的符號分別表不=U1為輸入電源，為電機工作的主電源分別為第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管！DpDpDpDu分別為第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管！C1X2分別為第一電容，第二電容；LA、LB、L。分別為電機第一繞組、第二繞組、第三繞組；iA、iB、分別為三相繞組工作電流；1:為輸出轉矩穩定時相繞組電流值；k、iH分別為相繞組電流的第一設定量和第二設定量；T為三相合