專利名稱：電子換向器電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及電子換向器電路，尤其涉及用于采用強迫電子換向 的旋轉和直線電機(如無刷直流旋轉和直線電機之類)的電路。
背景技術：
直流旋轉電機通常包括由繞線定子環繞的轉子。使用一個電子 開關電路來根據轉子的角位置控制定子繞組中電流的換向。轉子提供 旋轉磁場，旋轉磁場可以由永磁鐵、具有集電環或無刷勵磁電源的傳 統繞組或者具有適合的勵磁電源的超導繞組產生。英國專利申請2117580公開了一種采用電子開關電路的無刷直 流旋轉電機。該電子開關電路本質上是仿制用于工業標準疊繞定子的 傳統電刷和換向器拓撲，其中電刷由晶閘管代替而換向片由相關聯的 一對晶閘管之間的公共耦合點代替。每對晶閘管中的 一個晶閘管的陽 極連接到第一直流端，而在該對晶閘管中的另一個晶閘管的陰極連接 到第二直流端。具有n個串聯線圈的定子繞組具有n個節點，與電子 開關電路中的n個公共耦合點交會。這在針對n=8的情況的圖1中示 出。從圖1可看出，第一線圈Cl通過第一公共耦合點PCC1連接到 第二線圈C2和第一對晶閘管開關Sla和Slb。晶閘管Sla的陽極通 過第一環"環1"連接到第一直流端DC1，晶閘管Slb的陰極通過第 二環"環2"連接到第二直流端DC2。第二線圈C2通過第二公共耦合 點PCC2連接到第三線圈C3和第二對晶閘管開關S2a和S2b。晶閘管 S2a的陽極通過第一環"環1"連接到第一直流端DC1，晶閘管S2b 陰極通過第二環"環2"連接到第二直流端DC2。其余線圈以相應方 式連接到第一直流端DC1和第二直流端DC2。通過無刷直流旋轉電機的反電動勢(即在定子繞組中感生的電動勢)以及通過施加與轉子的角位置同步的門脈沖來對晶閘管對換 向。在低轉子速度下，該反電動勢可能不足以用于晶閘管的換向，從 而采用了直流直線型的外部換向電路。該外部換向電路也與轉子的角 位置同步從而與晶閘管對的選通同步。英國專利申請2117580的無刷直流旋轉電機具有如下缺點(i) 晶閘管對的選通與轉子的角位置的同步難于實現并容易 發生電磁干擾；以及(ii) 晶閘管對的選通同步和后續換向過程不能精確地與電機 的負荷狀態相適配。易于理解，可以得到與在英國專利申請2117580中描述的無刷直流旋轉電機等價的一般直線電機。在圖1中該無刷直流旋轉電機被 表示為具有一對環型直流端和環形的開關級陣列，但這些也可以用直線形式來表示以求簡潔。圖2中示出了基本定子繞組(多邊形繞組或疊繞組)和電子換 向器電路的直線形式。電子換向器電路由布置成直線而非環形陣列的 多個相同開關級組成。每個開關級包括如圖3所示的一對晶閘管1 和4。在直流電機處于發電模式下的工作期間，多數時間里直流電流 在陣列的第一點處流入定子繞組并在陣列的第二點處流出定子繞組。 第二點從第一點移動了大約180電角度。繞組電流在第一點處分岔流 入大致相等的兩條路徑并在第二點處重新會合，如圖2所示。為了實 現換向，必須將第一點或第二點的位置沿著該陣列索引(index) — 步。該索引可以同時地發生，即從第一點到第三點以及從第二點到第 四點，或者該索引還可以是相繼的，即初始從第一點索引到第三點， 然后從第二點索引到第四點。根據眾知的自然換向術語，在換向后載 送電流的開關器件已知為引入器件，而在換向之前載送電流的器件已 知為引出器件。這兩個器件的狀態發生重疊并反向恢復(reverse recovery)，并且可以采用相位控制。在這種情況下，通過在引入器 件的端子正向偏置(陽極相對于陰極為正)的時刻對引入器件施加選 通脈沖來導致索引，這樣使得引出器件的電源端反向偏置。在圖4和圖5中示出了針對相鄰開關級的引入和引出晶閘管的一般換向過程。圖4示出等價電路定義，圖5示出理想換向波形。參考圖4，恒流源"I load"代表要從引出晶閘管換向流出并進 入引入晶閘管的電流。換向電流的變化率通過定子繞組的等價電路表 示來確定并包括時變換向電壓E和具有電感L的換向電抗。引出晶閘 管載送電流"I out"并維持電壓"Vout"。引入晶閘管載送電流"I in"并維持電壓"V in"。在換向過程的開始引出晶閘管被認為已經連接上但是未選通。 當引入晶閘管被選通時，電壓"V in"驟降，電流"I in"以速率 E/L上升。由于電流源"I Load"恒定，因此電流"I out"以速率 E/L減少。使電流"I out"減小到零所用的時間被定義為重疊。在 重疊的末端，在引出晶閘管中開始關斷過程。關斷過程從引出晶閘管 的反向恢復開始；首先引出晶閘管反向導通，從而導致電流"I in" 超調并且電流變化率由E/L確定。最后，引出晶閘管傳導率向反向恢 復的末端方向減小，導致電壓"Vout"向時變換向電壓-E方向增加。 增加電壓"V out"的結果是強迫電流流出引出晶閘管。這時，引出 晶閘管不具備正向阻斷能力，而是具有反向阻斷能力。因此電壓"V out"由于定子繞組中電流的干擾而超調。隨著換向繼續，引出晶閘 管的穩態和暫態正向電壓阻斷能力增加。最后，電壓"Vout"反向，引出晶閘管必須維持該電壓。引出 晶閘管用來達到所需正向電壓阻斷能力的總時間已知是關斷時間 Tq。這是電流"I out"轉向負方向與接下來電壓"Vout"轉向正方 向之間的時間。如果關斷時間Tq足夠，那么電流"I out"保持為零 而電壓"Vout"跟隨時變換向電壓E。然而，如果關斷時間Tq不充 足，則隨著"Vout"轉為正，電流"I out"將會重新建立，電壓"V out"將轉向接通狀態，引出晶閘管將不能關斷。該故障有時被稱作 "Tq故障"并會導致引出晶閘管毀壞以及相關設備的災難性故障。容易理解，在這種換向中電流"I in"和"I out"的變化率對 晶閘管接通損耗、關斷損耗和達到正向阻斷能力所需的時間(Tq)有 重大影響。在圖4中僅示出了每個開關級的一個晶閘管，因為為簡明起見假設負載電流"I load"是單向的(如圖所示從右到左)。兩個晶閘 管均具有相同極性，這樣除了反向恢復期間以外晶閘管電流都是如圖 所示從右到左的。然而，在負載電流周期性反向的情況下，每個開關 級將結合一對反向極性的晶閘管。原則上，在將無刷直流旋轉電機用于電動機應用的情況下自然 換向的晶閘管是理想的。然而，因為電流進入定子繞組的最優點定位 在沒有足夠的線圈電壓引起可靠換向的位置處，所以當以低速工作 時，性能限制很大。在高電動機轉矩和低速時，得到的換向重疊持續 時間沒有為晶閘管留下足夠的時間來達到正向阻斷能力。可以采用外 部直流線路換向設備來克服自然換向的局限，但這會導致不希望的高 幅度轉矩脈動并且會產生額外的電源損耗。發明內容本發明的電子換向器電路提供可被嵌入于已知電子換向器中以 克服其低速轉矩限制的強迫換向裝置。該強迫換向裝置由添加到使用 一對晶間管的基本開關級中的強迫換向增加件組成。電容器可以被預 先充電并被同步以在放電時補充線圈電壓，從而減小換向重疊時段并 使有助于晶閘管獲得正向阻斷能力的關斷時間最大化。可以使用提供 這種電容性放電的兩種途徑。第一種途徑通過將會載送換向后電流的 同一晶閘管來起動電容性放電。第二種途徑通過輔助晶閘管來起動該 電容性放電。更特別地，本發明提供一種用于無刷直流電機的定子繞組的電 子換向器電路，該定子繞組具有多個由相同數量的公共耦合點連接的 線圈，所述電子換向器電路包括相同數量的開關級，每個開關級連接 在每一個公共耦合點與第一和第二直流端之間，并且每個開關級包括 用于選擇性地把電壓釋放到定子繞組中的電容性換向強迫裝置。每個 開關級還包括第一晶閘管，其陽極連接到第一直流端；第二晶閘管， 其陰極連接到第二直流端；與第一晶閘管相關聯的第一換向強迫裝 置，其包括一個連接到公共耦合點以選擇性地把電壓釋放到定子繞組 中的第一電容器；和與第二晶閘管相關聯的第二換向強迫裝置，其包括一個連接到公共耦合點以選擇性地把電壓釋放到定子繞組中的第 二電容器°在本發明的第一方面中，第一換向強迫裝置還可以包括一個連 接在第一晶閘管的陰極與公共耦合點之間的第一二極管，第一電容器 與該第一二極管并聯，并且第二換向強迫裝置還包括一個連接在第二 晶閘管的陽極與公共耦合點之間的第二二極管，第二電容器與該第二 二極管并聯。電子換向器電路的一個開關級優選地還包括第一電抗器，該第 一電抗器具有初級繞組和與該初級繞組磁耦合的次級繞組。初級繞組 具有優選地連接到第一二極管陰極和第二二極管陽極的第一端以及 優選地連接到公共耦合點的第二端。第一電抗器優選地包括一個芯，該芯在一小部分的直流電機額 定電機繞組電流下飽和。所述芯飽和將優選地發生在小于額定電機繞組電流10%的電抗器繞組電流下。電抗器繞組電感飽和值還優選地小于在兩個相鄰耦合點之間測得的定子繞組電感的1%，并最優地為實 際可用的盡可能小的值。電抗器繞組電感的不飽和值與電抗器繞組電感的飽和值之比優選地大于10倍，并最優地為實際可用的盡可能大的值。飽和第一電抗器的目的是減小與第一和第二晶閘管相關聯的電 流的變化率從而減小開關功率損耗。僅在低電流和電流反向的時候才 需要減小電流變化率。因此第一電抗器優選地在電子換向器電路工作 期間的其它所有時候都不突出。因此希望使用不飽和與飽和電感的最 大實用比和最小可能飽和電流。電子換向器電路還可以包括第二電抗器(優選地具有與上述第 一電抗器相同的特性)，該第二電抗器具有初級繞組和與初級繞組磁 耦合的次級繞組。第二電抗器的初級繞組具有第一端，第一端優選地 連接到不同的一個開關級(即電子換向器電路的與上述第一電抗器不 相關聯的一個開關級)的第一二極管的陰極和與所述不同的一個開關 級相關聯的第二二極管的陽極。第二電抗器的初級繞組還包括第二 端，第二端優選地連接到與所述不同的一個開關級相關聯的公共耦合點。第二電抗器的次級繞組優選地包括第一端和第二端。第一端優選地連接到處在所述一個開關級的第一二極管的陰極與第一電抗器的 初級繞組之間的接頭上，并且連接到處在所述一個開關級的第二二極 管的陽極與第一電抗器的初級繞組之間的接頭上。第二端優選地通過 第一二極管串或等價二極管連接到所述一個開關級的第一二極管的 陽極，并通過第二二極管串或等價二極管連接到所述一個開關級的第 二二極管的陰極。二極管串或等價二極管提供了把電能從不同的一個開關級傳送 到所述一個開關級的裝置，用來對第一和第二電容器充電以提供在所 述一個開關級內進行強迫換向的益處。通過在與不同的一個開關級相 關聯的第二電抗器中的變壓器動作并且借助于整流動作或者借助于 把第二電抗器的次級繞組的第二端連接到所述一個開關級的第一和 第二電容器的二極管串或等價二極管，來發生電能傳送。由于經濟方面的原因，可以使用二極管串，因為單個等價二極 管不一定會既有足夠小的額定電流又有足夠高的電壓阻斷能力。然 而，如果可以得到適合的部件，也是可以使用單個等價二極管的。如 果使用二極管串，則必須使用工業標準的裝置以保證靜態和動態均壓 有效，并在需要時提供N+1串冗余。二極管串和等價二極管的反向恢 復參數對于脈沖占空比必須適當。電流流過飽和電抗器的初級繞組的動作是為了向其次級繞組注 入電流。對此的一個附帶條件是次級繞組必須連接到具有足夠低的負 載阻抗的部件。在本發明的電子換向器電路中，二極管串或等價二極 管中的一種以及相關聯的電容器表現出足夠低的負載阻抗以允許電 流僅在飽和電抗器繞組電流的第一個半周期中流過第二電抗器的次 級繞組，該電容器用于在飽和電抗器初級繞組的第一個半周期內在所 述一個開關級中提供強迫換向益處。在飽和電抗器初級繞組電流的另 一半周期中，另一個二極管串或等價二極管以及相關聯的電容器表現 出足夠低的負載阻抗以允許電流僅在飽和電抗器繞組電流的另一半 周期中流過第二電抗器的次級繞組，該電容器用于在飽和電抗器初級 繞組的另一半周期內在所述一個開關級中提供強迫換向益處。提供電能傳送以對所述一個開關級的第一和第二電容器充電的個開關級的內部，而是處在任何其它適宜的開關級中。一般優選地是第一和第二電容器在充電和強迫換向放電之間的間隔期間不過度放電，并且可以相應選擇與第二電抗器相關聯的不同的一個開關級和與被第二電抗器充電的第一和第二電容器相關聯的所述一個開關級之間的偏差(換言之，即圓形或直線開關級中的間距)。在公共耦合點的相位旋轉為單向的情況下，可以配置電抗器相位以及提供充電的電抗器與它們所關聯的接受充電的電容器之間的開關級偏差以使換向電容器放電的影響最小化。在公共耦合點的相位旋轉是雙向的并且轉矩要求關于旋轉對稱的情況下，必須把電抗器相位以及提供充電的電抗器與它們所關聯的接受充電的電容器之間的開關級偏差配置得盡可能對稱。實際上，必須把提供充電的電抗器與它們所關聯的接受充電的電容器之間的開關級偏差配置為一個索引步進(indexing st印)的最小值。根據特定應用的最優處理，可以把具有不對稱轉矩要求的雙向系統與對稱換向電容器充電分開。所述電子換向器電路還可以包括脈沖變壓器，該脈沖變壓器具 有連接到開關模式電源的初級繞組和磁耦合到初級繞組并具有第一 端和第二端的次級繞組。次級繞組的第一端優選地連接到第一二極管的陰極和第二二極管的陽極。脈沖變壓器的次級繞組的第二端優選地 通過第一二極管串或等價二極管連接到第一二極管的陽極并通過第 二二極管串或等價二極管連接到第二二極管的陰極。通過任何時候都提供充電容量，使用這種開關模式電源和脈沖 變壓器對第一和第二電容器進行充電具有避免電機旋轉速度、方向和 轉矩敏感性的優點。實際上，可以使用任何適宜數量的開關模式電源 來對任何適宜數量的脈沖變壓器饋電。脈沖變壓器可以結合任何適宜 數量的次級繞組。另外，上述第一和第二飽和電抗器可以具有任何適 宜數量的次級繞組并且可以與開關模式電源以及被充電的脈沖變壓 器相結合來使用。還可以通過至少一個電流隔離的輔助電源對第一和第二電容器 進行充電。使用由至少一個電流隔離的輔助電源對第一和第二電容器 充電的電子換向器電路的無刷直流電機可以以與英國專利申請2117580的無刷直流旋轉電機相類似的方式來工作。然而，本發明的電子換向器電路的能力實質上與定子電壓無關從而與軸速或線速度 無關。電子換向器電路與定子電壓無關這一事實表示，它不會遭受由 于控制系統在繞組電壓上很不同步而導致的工作問題。當提供多個電 源來對每個開關級的第一和第二電容器的特定一個進行充電時，每個 電源必須具有其自己的二極管串或等價二極管。在本發明的第二方面，第一換向強迫裝置還可以包括第一輔助 晶閘管和第一電容器，它們彼此串聯并且與第一晶閘管并聯，從而第 一輔助晶閘管具有與第一晶閘管相同的極性，并且，第二換向強迫裝 置還可以包括第二輔助晶閘管和第二電容器，它們彼此串聯并且與第 二晶閘管并聯，從而第二輔助晶閘管具有與第二晶閘管相同的極性。電子換向器電路的一個開關級優選地還包括第一電抗器，該第 一電抗器具有初級繞組和磁耦合到初級繞組的次級繞組。初級繞組具 有優選地連接到第一晶閘管陰極和第二晶閘管陽極的第一端以及優 選地連接到公共耦合點的第二端。本發明的第二方面的第一電抗器優選地還包括一個芯，該芯在 一小部分的直流電機額定電機繞組電流下飽和。它的其它特性優選地 與本發明上述第一方面的第一電抗器的特性相同。電子換向器電路還可以包括(優選地具有上述第一電抗器的相 同特性的)第二電抗器，該第二電抗器具有初級繞組和磁耦合到該初 級繞組的次級繞組。初級繞組具有第一端和第二端，第一端優選地連 接到不同的一個開關級(即電子換向器電路的與上述第一電抗器不相 關聯的開關級)的第一晶間管的陰極和與該不同的一個開關級相關聯 的第二晶閘管的陽極，第二端優選地連接到與該不同的一個開關級相關聯的公共耦合點。第二電抗器的次級繞組的第一端優選地連接到所述一個開關級 的第一晶閘管的陰極與第一電抗器的初級繞組之間的接頭上，并連接 到所述一個開關級的第二晶閘管的陽極與第一電抗器的初級繞組之 間的接頭上。第二電抗器的次級繞組的第二端優選地通過第一二極管連接到第一輔助晶閘管與第一電容器的接頭上，并通過第二二極管連接到第 二輔助晶閘管與第二電容器之間的接頭上。第一和第二二極管提供了 一種把電能從不同的一個開關級傳送到所述一個開關級的途徑，以對 第一和第二電容器進行充電來提供在所述一個開關級內強迫換向的益處。從第二電抗器到與所述一個開關級相關聯的第一和第二電容器 的電能傳送一般與上述關于本發明第一方面的電能傳送相同。還可以使用如上面詳述的開關模式電源和脈沖變壓器和/或至 少一個電流隔離的輔助電源來對第一和第二電容器充電。所述電子換向器電路可以用于具有轉子、定子、具有多個由相 同數量的公共耦合點連接的線圈的定子繞組的直流旋轉電機，這里電 子換向器電路的每個開關級被連接在各自的一個公共耦合點與第一 和第二直流端之間。所述電子換向器電路還可以用于包括傳送器、定子、具有多個 由相同數量的公共耦合點連接的線圈的定子繞組的直流直線電機，這 里電子換向器電路的每個開關級被連接在各自的一個公共耦合點與 第一和第二直流端之間。無刷直流電機可以通過任何適合的方法來激勵，激勵的類型對 所述電子換向器電路的工作和益處沒有影響。因此該電子換向器電路 可以用于徑向、軸向和橫向磁通的具有集電環或無刷磁場系統、具有 傳統或者高溫超導或低溫超導磁場繞組、具有永磁轉子的電機以及傳 統上內外雙面式配置的電機。
圖1是示出現有技術的定子繞組和相關電子換向器的示意圖， 所述電子換向器仿制了用于工業標準疊繞定子的傳統電刷和換向器 拓撲，其中電刷由晶閘管代替而換向片由相關聯的一對晶閘管之間的 公共耦合點代替；圖2是示出直線形式下現有技術的定子繞組和電子換向器電路 的示意圖；圖3是示出圖2的現有技術電子換向器電路的單個開關級的示意圖；圖4是示出針對使用一對晶閘管作為開關級的一般換向過程的等效電路定義的示意圖；圖5是示出針對圖4的一般換向過程的理想換向波形的示意圖；圖6A是示出根據本發明的用于無刷直流電機的第一電子換向器 電路的示意圖；圖6B是示出圖6A的第一電子換向器電路結合了脈沖變壓器的 改型的示意圖；圖7到圖10是示出圖6A的第一電子換向器電路的操作的示意圖；圖11是示出當無刷直流電機工作在電動機模式下時圖6A的第 一電子換向器電路的晶閘管波形的波形圖；圖12是更詳細地示出圖11的晶閘管波形的波形圖；圖13是示出當無刷直流電機工作在發電機模式下時圖6A的第 一電子換向器電路的晶閘管波形的波形圖；圖14是示出根據本發明的用于無刷直流電機的第二電子換向器 電路的示意圖；和圖15到圖20是示出圖14的第二電子換向器電路的操作的示意圖。
具體實施方式
為簡明起見，圖中沒有包括開關輔助網絡(有時稱為緩沖器)。 然而，所屬領域的讀者將明白實際上所有電子換向器電路都可以包括 開關輔助網絡以便減少電力電子器件的開關損耗。下面提到的飽和電 抗器也將有助于開關輔助網絡的整體效果以及提供上述的益處。雖然下面參照直流旋轉電機描述了電子換向器電路，但還可以 適用于直流直線電機。在直線電機的情況下，任何使用的術語"轉子" 都可被術語"傳送器"、"移動部件"或其它合適的術語代替。直線 電機的定子繞組以及它們與移動部件的電磁關系將會在所有定子和 移動部件末端具有不連續性，而下面提到的旋轉無刷直流電機具有連圖6A示出用于無刷直流電機的第一電子換向器電路。該電路包括與第一二極管2串聯的第一晶閘管1和與第二二極管5串聯的第二 晶閘管4。第一二極管2和第二二極管5連接到電抗器7的初級繞組 8的左側。初級繞組8的右側連接到每開關級具有兩個線圈的定子繞 組的繞組分接頭n。第一二極管2以適當的極性連接到初級繞組8以 使得電流可以通過第一晶閘管1、第一二極管2和電抗器7的初級繞 組8從直流端DCl流向繞組分接頭n。類似地，第二二極管5以適當 的極性連接到初級繞組8以使得電流可以通過初級繞組8、第二二極 管5和第二晶閘管4從繞組分接頭n流向直流端DC2。如果電抗器7的功能被認為是對其它電子元件進行隔離(第一 二極管2假設為短接電路)，則可以理解電抗器的芯被設計來在一小 部分的額定電機繞組電流下飽和。當初級繞組8載送的電流小于使電 抗器7的芯飽和所需的電流時，初級繞組的電感處于最大。另一方面， 當初級繞組8載送的電流大于使電抗器7的芯飽和所需的電流時，初 級繞組的電感處于最小。因為由初級繞組8載送的電流起初很低并且 初級繞組電感有利于減小第一晶閘管中的接通損耗，所以當第一晶閘 管1接通時電抗器7沒有飽和。當第一晶閘管1由于電子換向器電路 中別處的晶閘管的動作而換向時，初級繞組電感增加而初級繞組8 載送的電流接近于零。初級繞組電感有利于減小第一晶閘管1中的接 通損耗。電抗器7的功能同樣有利于減小第二晶閘管4的接通和關斷 損耗。實際上，附加部件的存在使電抗器7的功能變得更復雜。現在 描述這些附加部件與電抗器7的相互影響。電子換向器電路包括與第 一二極管2并聯的第一電容器3和與第二二極管5并聯的第二電容器 6。定子繞組的相鄰繞組分接頭n+l連接到一個類似的電抗器7n+l。 該電抗器7n+l具有次級繞組9n+l，該次級繞組的輸出用于通過第一 二極管串10的半波整流效應對第一電容器3充電。次級繞組9n+l 的輸出還可用于通過第二二極管串11的半波整流效應對第二電容器 6充電。容易理解，具有初級和次級繞組的飽和電抗器會象脈沖變壓器一樣工作，因此能量可以簡單地從電抗器7n+l的初級繞組8n+l 轉換到第一電容器3和第二電容器6。電抗器7的次級繞組9同樣可 以用于對在該電子換向器電路中與相鄰繞組分接頭n-l相關聯的一 對電容器(未示出)充電。假定第一電容器3和第二電容器6會被充電，現在描述它們關 于第一晶閘管1和第二晶閘管4的換向的功能。如果第一電容器3 被充電而使得第一二極管2反向偏置，并且為簡明起見忽略了初級繞 組阻抗，則第一電容器3兩端的電壓被疊加在圖2和3的已知電子換 向器電路的第一晶閘管1在正常情況下經受的關斷狀態電壓上。因 此，當第一晶閘管1選通時，與圖3的已知電子換向器電路的第一晶 閘管1所經受的電流增加率相比，第一電容器3兩端的電壓提高了在 第一晶閘管1中的電流增加率。類似地，當第一晶閘管l選通時，第 一電容器3兩端的電壓提高了在引出晶閘管(另外進行描述，但與這 個換向相關)中的否則將由已知電子換向器電路的等價晶閘管所經受 的電流下降率。第二電容器6兩端的電壓可以以相同方式用于增強與 第二晶閘管4相關聯的換向。在第一晶閘管1和第二晶閘管4中的增 加的電流變化率導致重疊角度減小，從而與已知電子換向電路相關的 晶閘管的關斷時間增加。通過電抗器7的適當設計，換向過程的速率 可以有效地從轉子速度解耦，并且當線圈電壓由于其本身不足以導致 可靠的自然換向時還可以在低軸速下可靠地對大電流強迫換向。上述電子換向器電路可能會有在反向變速驅動應用中不可接受 的方向敏感性。在這種電機中換向順序一次索引一個開關級，例如根 據圖6A的標記習慣為繞組分接頭n-l、繞組分接頭n、繞組分接頭 n+l、繞組分接頭n+2等等。在這種電子換向器電路中，本質上第一 電容器3和第二電容器6充電分別適當早于第一晶閘管l和第二晶閘 管4的選通。因此在從繞組分接頭n+2換向到繞組分接頭n+l期間(即 恰在從繞組分接頭n+l換向到繞組分接頭n之前的那個換向)將會更 有效地對這些電容器充電，從而使電容器充電與切換放電(switched discharge)之間的時段最小化并減小了電容器過早放電的風險。在 這種情況下，充電與切換放電之間的間隔可能與一個定子繞組節距的角距相關。由于每個電抗器7在直流電機轉子的每個周轉中經歷兩次 換向，并且在定子基頻處每個換向之間的間隔是180度，因此，如果 直流電機反向旋轉，那么在切換放電之前電容器充電會達到180度減 去一個定子繞組節距的角距。可以通過使用處在定子基頻大約90度處的電抗器來克服方向敏 感性以對第一電容器3和第二電容器6充電。實際上，電抗器的次級繞組與相關第一和第二電容器之間的角位移可以設置為定子繞組節 距的任何適宜的整數倍。而且，可以采用多個次級繞組來對第一電容器3和第二電容器6充電。在這種情況下，對于每個次級繞組，每個 電容器可能都需要二極管串。第一二極管串IO和第二二極管串11必須具有足夠的正向電壓 降來防止負載電流的過量部分從第一二極管2和第二二極管5轉移到 電抗器7n+l的次級繞組9n+l中。當第一二極管2和第二二極管5 載送負載電流時，轉移到次級繞組9n+l中的負載電流部分必須大大 小于使電抗器7n+l飽和所需的電流。另一種避免方向敏感性的方式是采用電流隔離的輔助電源(未 示出)來對第一電容器3和第二電容器6充電。可以采用脈沖變壓器 進行電流隔離，脈沖變壓器的次級可用來代替電抗器7的次級繞組9。 可以采用任何適宜數量的脈沖變壓器和電源，這些脈沖變壓器除了公 共初級繞組外還包括必要數量的次級繞組。圖6B示出圖6A的電子換 向器電路的變型，其中使用開關模式電源20對具有初級繞組19的脈 沖變壓器18提供交流電壓。圖6A的電子換向器電路的次級繞組9 和9n+l被調換成脈沖變壓器18，從而電能可以從開關模式電源20 變換到次級繞組9和9n+l。實際上，脈沖變壓器18可以安裝適宜數 量的次級繞組。例如，可以對脈沖變壓器18安裝四個次級繞組9、 9n+l、 9n+2和9n+3，對第二個脈沖變壓器(未示出)安裝四個次級 繞組9n+4、 9n+5、 9n+6和9n+7，等等。脈沖變壓器18可以在相對 高的脈沖重復頻率下工作，比如大約20kHz，以使其物理尺寸最小化 并簡化絕緣設計。脈沖變壓器18的設計是這樣一種折衷，即通過具 有實際可得的盡可能多的次級繞組來初始減小成本并初始簡化設備，直到達到由于具有太多次級繞組而使得脈沖變壓器次級繞組的絕緣、 終止、制造和安裝變得過于復雜的程度。圖6B中未示出的一種簡化 的裝置是從單個開關模式電源向多個脈沖變壓器的初級繞組供電。每 個脈沖變壓器可能具有適宜數量的次級繞組，而開關模式電源會從功 率額定的規模節約效應中獲益。現在將參照圖7到圖10進一步描述第一電子換向器電路的操 作。該操作是在針對與定子繞組的繞組分接頭n相關聯的第一開關級 和與定子繞組的相鄰繞組分接頭n+l相關聯的第二開關級的一般情 況下示出的。布置換向順序來索引定子繞組中的繞組電流流出和流入 點，同時和與直流電機轉子相關聯的磁場旋轉保持同步。下面描述的 情形是來自第一晶閘管的負載電流轉換到第二晶閘管而同時電流繼 續流過第三晶閘管。實際上，在定子繞組的流出點處發生的換向順序與在定子繞組 的流入點處發生的換向順序無關。在流出和流入點處的換向可以同時 發生，或者流入點的換向可以在流出點的換向的前面，反之亦然，但 是時序偏差(timing skew)絕對不能足夠大到使環流環繞流過該多 邊形繞組。無論如何，換向順序是相同的。因此參照圖7到圖10的 詳細描述集中在從與第一繞組分接頭n相關聯的第一晶閘管ln到與 相鄰繞組分接頭n+l相關聯的第一晶閘管ln+l的換向。從與第一繞 組分接頭n相關聯的第二晶閘管4n到與相鄰繞組分接頭n+l相關聯 的第二晶閘管4n+l的換向除了電流和電壓的極性反向之外都是相同 的。當在定子繞組的流入點處的換向從第一晶閘管ln換到第一晶閘 管ln+l時，隨后在定子繞組流出點處的換向從第二晶閘管4n+m換到 第二晶閘管4n+m+l，這里m是根據在特定多邊形繞組或疊繞組中的 公共耦合點數量的一半的偏移。由于連續的換向導致定子繞組的流入 和流出點的索引，因此流入點最后會成為定子基頻180度的流入點。在換向之前，假設繞組電流流過定子繞組，在定子繞組中一個 流入點處流入并在定子繞組中一個流出點處流出，如圖2所示。換向 起始點在圖7中示出。與繞組分接頭n+l相關聯的電容器3n+l被充 電到初始電壓Vcapacitor并連接至定子繞組中傳入負載電流的那一點。與電容器3n+l相關聯的晶閘管ln+l經受一個與電容器電壓 Vcapacitor與線圈電壓Vcoil之和相等的正向電壓Vthyristor。即 使在線圈電壓Vcoil可能不能正常地足以自身促進與繞組分接頭n+l 相關聯的晶閘管ln+l快速接通時，電容器電壓Vcapacitor的存在也 能使該晶閘管在被選通時快速接通。如圖8所示，通過啟動(firing)晶閘管ln+l來起動電流換向。 隨著晶閘管ln+l經受的正向電壓Vthyristor驟降，電壓施加到電抗 器7n+l，電流以低的初始變化率(di/dt)開始增加。電流進一步增 加直到電抗器7n+l飽和(在一部分的額定電機繞組電流下)，并且 電流變化率(di/dt)由于電抗器的電感減小而增加。電流最初通過 電容器3n+l，導致電容器放電一直到電流傳送到二極管2n+l。這最 終引起如圖9所示定子繞組在繞組分接頭n與繞組分接頭n+l之間的 線圈中的電流反向。隨著換向過程繼續，晶閘管ln中的電流減小到零。二極管2n 被選擇來具有比晶閘管ln更快的反向恢復，因此它在晶閘管ln完全 反向恢復之前就開始支持反向電壓。這保證了在晶閘管ln中的反向 恢復損失最小化，然而線圈電壓Vcoil必須保持為正以便晶閘管ln 有足夠長的時間充分恢復從而避免關斷時間(Tq)故障。二極管2n 和晶閘管ln的恢復過程由飽和電抗器7n進行輔助，該飽和電抗器的 電感導致晶閘管ln中的電流變化率(di/dt)隨著電流接近于零以及 電抗器芯去飽和而減小。這減小了反向恢復電流。圖10示出換向過 程結束后開關級的狀態。直流電機在電動機模式下操作時(即電流通過電子換向器電路 供給定子繞組的串聯線圈時)的晶閘管波形具有類似于如圖11所示 的波形。晶閘管被反向偏置的時間部分(標記為"A")相對較小， 并且電壓紋波取決于定子繞組中線圈的數量。清楚地示出了晶閘管的 軟反向恢復電流。標記為"B"的波形部分代表電荷注入相關電容器 使得晶閘管電壓Vthyristor上升的時間。標記為"C"的波形部分代 表晶閘管選通時的時刻。標記為"D"的波形部分代表晶閘管的軟反 向恢復電流。在圖12中，圖11的波形已經進一步擴大為更好地示出換向過程，尤其是晶閘管關斷時間Tq和重疊p。
直流電機在發電機模式下操作時(即從定子繞組的串聯線圈通 過電子換向器電路提供電流時)的晶閘管波形具有類似于如圖13所 示的波形。晶閘管被反向偏置的時間部分(標記為"A")相對較大。 清楚地示出了晶閘管的軟反向恢復電流。標記為"B"的波形部分代 表電荷注入相關電容器使得晶閘管電壓Vthyristor上升的時間。標 記為"C"的波形部分代表晶閘管選通時的時刻。標記為"D"的波形 部分代表晶閘管的軟反向恢復電流。
在既能用于傳動又能用于發電應用的直流電機中，直流端電流 是單向的，其極性由晶閘管相對于所關聯的直流端的極性確定。可以
通過調整晶閘管相對于轉子位置的啟動點來實現電動機和發電機模 式的控制，從而允許根據已知的晶閘管逆變器相控原理來對直流端電 壓的平均值進行調整和反向。這允許晶閘管被反向偏置的時間部分被 調節。還可以通過相控來相對于直流端電壓的極性控制旋轉方向。還 可以通過以外部裝置(比如能夠整流和逆變的晶閘管饋電電橋)調整 直流端電流來控制直流電機的工作點。
因此電子換向的直流電機可以以下面的模式來工作
(i) 作為一個其直流輸出電壓近似正比于其繞組電壓的發電
機；
(ii) 作為一個可以相對于其繞組電壓調整其直流輸出電壓并 因此用于對直流側故障電流進行自限制的發電機；
(iii) 作為一個其直流端電壓近似正比于其繞組電壓的電動
機；
(iv) 作為一個可以相對于其繞組電壓調整其直流端電壓并因 此用于主動控制其工作性能或有助于其工作性能的控制的電動機；或 者
(v) 作為一個通過相對于其繞組電壓進行直流端電壓幅度和 極性的調節并因此用于眾知的"四象限"應用的既能傳動又能發電的 電機。
圖14示出用于直流電機的第二電子換向器電路。該電路包括連接到電抗器7的初級繞組8的左側的第一晶閘管1和第二晶閘管4。 初級繞組8的右側連接到定子繞組的繞組分接頭n。第一晶閘管1以 適宜的極性連接到初級繞組8以便電流可以通過第一晶閘管和電抗 器7的初級繞組8從直流端DCl流向繞組分接頭n。類似地，第二晶 閘管4以適宜的極性連接到初級繞組以便電流可以通過初級繞組8 和第二晶閘管從繞組分接頭n流向直流端D C 2 。
電抗器7以與上述第一電子換向器電路的電抗器相同的方式運 作。類似地，第一電容器12和第二電容器15除了它們的開關放電是 通過分別選通第三輔助晶閘管14和第四輔助晶閘管17來起動以外， 它們以與上述第一電子換向器電路的第一電容器3和第二電容器6 相同的方式運作。由于輔助晶閘管14和17的啟動動作導致第一晶閘 管1和第二晶閘管4瞬時反向偏置，因此第一和第二晶閘管的選通必 須相對于輔助晶閘管的啟動而被瞬時延遲，以使得它們可以變成正向 偏置并可靠地接通，從而分別使輔助晶閘管14和17換向。第一晶閘 管1和第二晶閘管4的功能或者可參照如上述第一電子換向器電路所 描述的那樣。
第一二極管13和第二二極管16的功能恰如分別針對第一電子 換向器電路的二極管串10和ll所描述的那樣，但是這里不需要串聯 的二極管串來產生髙的正向電壓降，因為輔助晶閘管14和17的換向 導致了電流可從電抗器7n+l的次級繞組9n+l中轉換出。
還可以使用脈沖變壓器電流隔離電源來執行第一電容器12和第 二電容器15的充電，如上面參照第一電子換向器電路所詳述的那樣。
現在將參照圖15到20進一步描述第二電子換向器電路的操作。 該操作是在針對與定子繞組的繞組分接頭n相關聯的第一開關級和 與定子繞組的相鄰繞組分接頭n+l相關聯的第二開關級的一般情況 下示出的。再一次布置換向順序來索引定子繞組中的繞組電流流出和 流入點，同時和與直流電機轉子相關聯的磁場旋轉保持同步。下面描 述的情形是來自第一晶閘管的負載電流換向到第二晶閘管而同時電 流繼續流過第三晶閘管。由輔助晶閘管來起動換向。
在換向之前，假設繞組電流流過定子繞組，在定子繞組中一個
23流入點處流入并在定子繞組中一個流出點處流出，如圖2所示。換向 起始點在圖15中示出。電容器12n+l被充電到初始電壓Vcapacitor 并連接至定子繞組中傳入負載電流的那一點。與電容器12n+l相關聯 的輔助晶閘管14n+l經受一個與電容器電壓Vcapacitor與線圈電壓 Vcoil之和相等的正向電壓Vaux—thyristor。即使在線圈電壓Vcoil 可能不能正常地足以自身促進輔助晶閘管14n+l快速接通時，電容器 電壓Vcapacitor的存在也能使該輔助晶閘管在被選通時快速接通。
如圖16所示，通過啟動輔助晶閘管14n+l來起動電流換向。隨 著輔助晶閘管14n+l經受的正向電壓Vaux—thyristor驟降，電壓施 加到電抗器7n+l，電流以低的初始變化率(di/dt)開始增加。該電 流流過輔助晶間管14n+l和電容器12n+l。該電流進一步增加直到電 抗器7n+l飽和(在一部分的額定電機繞組電流下)，并且電流變化 率(di/dt)由于電抗器的電感減小而增加。隨著該電流增加，繞組 分接頭n中來自晶閘管In的電流減小。流過電容器12n+l的電流導 致電容器電壓Vcapacitor減小。
流過電容器12n+l的電流最終導致電容器電壓Vcapacitor反 向，從而導致晶閘管ln+1變為正向偏置，也導致電流流過二極管 13n+l和與其相關聯電抗器7n+2的次級繞組，如圖17所示。電容器 電壓Vcapacitor中的這種反向由適合的控制裝置(未示出)感測并 可以導致晶閘管ln+1被選通。因此晶閘管14n+l換向而繞組電流傳 入晶閘管ln+l。而且如圖18所示在二極管13n+l及其相關聯電抗器 7n+2中電流中斷。晶閘管ln+1中流過的電流的繼續增加最終引起定 子繞組在繞組分接頭n與繞組分接頭n+l之間的線圈中的電流反向， 如圖19所示。接著是如圖20所示的晶閘管In的反向恢復。
線圈電壓Vcoil必須保持為正以便晶閘管ln有足夠長的時間充 分恢復從而避免關斷時間(Tq)故障。晶閘管In的恢復過程由飽和 電抗器7n進行輔助，該飽和電抗器的電感導致晶閘管In中的電流變 化率(di/dt)隨著電流接近于零以及電抗器芯去飽和而減小。該晶 閘管波形類似于如圖11到13所示的第一電子換向器電路中的波形。 主要差別是晶閘管14n+l的瞬時反向偏置是在它的接通之前。第二電子換向器電路提供了一種與第一電子換向器電路具有相 同的操作能力和特性的直流電機。
權利要求
1.一種用于無刷直流電機的定子繞組的電子換向器電路，所述定子繞組具有多個由相同數量的公共耦合點(繞組分接頭n，繞組分接頭n+1)所連接的線圈，所述電子換向器電路包括相同數量的開關級，每個開關級連接在每一個公共耦合點(繞組分接頭n，繞組分接頭n+1)與第一和第二直流端(DC1，DC2)之間，并且每個開關級包括用于選擇性地把電壓釋放到定子繞組中的電容性換向強迫裝置。
2. 如權利要求1所述的電子換向器電路，其中每個開關級還包括第一晶閘管(1)，其陽極連接到所述第一直流端(DC1);第二晶閘管(4)，其陰極連接到所述第二直流端(DC2);與第一晶閘管(1)相關聯的第一換向強迫裝置，其包括一個連 接到公共耦合點(繞組分接頭n)以選擇性地把電壓釋放到定子繞組 中的第一電容器(3);和與第二晶閘管(4)相關聯的第二換向強迫裝置，其包括一個連 接到公共耦合點(繞組分接頭n)以選擇性地把電壓釋放到定子繞組 中的第二電容器(6)。
3. 如權利要求2所述的電子換向器電路，其中所述第一換向強 迫裝置還包括一個連接在所述第一晶閘管(1)的陰極與公共耦合點(繞組分接頭n)之間的第一二極管(2)，并且所述第一電容器(3) 與所述第一二極管(2)并聯，以及其中所述第二換向強迫裝置還包 括一個連接在所述第二晶閘管(4)的陽極與公共耦合點(繞組分接 頭n)之間的第二二極管(5)，并且所述第二電容器(6)與所述第 二二極管(5)并聯。
4. 如權利要求3所述的電子換向器電路，其中一個開關級還包 括一個第一電抗器(7)，該電抗器(7)具有初級繞組(8)，其第一端連接到所述第一二極管(2)的陰極和所述第二二極管(5)的陽極，其第二端連接到所述公共耦合點(繞 組分接頭n)，和次級繞組(9),磁耦合到所述初級繞組(8)。
5. 如權利要求4所述的電子換向器電路，其中所述第一電抗器 (7)包括一個芯，所述芯在一小部分的直流電機額定電機繞組電流下飽和。
6. 如權利要求4或5所述的電子換向器電路，還包括一個具有 初級繞組(8n+l)和次級繞組(9n+l)的第二電抗器Un+1)，初級 繞組(8n+l)具有第一端和第二端，第一端連接到與不同的一個開關 級相關聯的第一二極管的陰極和與不同的一個開關級相關聯的第二 二極管的陽極，第二端連接到與所述不同的一個開關級相關聯的公共 耦合點(繞組分接頭n+l)，并且次級繞組(9n+l)磁耦合到所述初級繞組(8n+l)，次級繞組 (9n+l)的第一端連接到(i) 處于所述一個開關級的第一二極管(2)的陰極與所述 第一電抗器(7)的初級繞組(8)之間的接頭，和(ii) 處于所述一個開關級的第二二極管(5)的陽極與所 述第一電抗器(7)的初級繞組(8)之間的接頭，并 且次級繞組(9n+l)的第二端(i) 通過第一二極管串或等價二極管(10)連接到所述第 一二極管(2)的陽極，和(ii) 通過第二二極管串或等價二極管(11)連接到所述第 二二極管(5)的陰極。
7. 如權利要求4到6中任一個所述的電子換向器電路，還包括 脈沖變壓器(18)，該脈沖變壓器(18)具有連接到開關模式電源(20)合到該初級繞組(19)的次級繞組(9n+l)， 所述次級繞組(9n+l)具有第一端和第二端，第一端連接到所述第一 二極管(2)的陰極和所述第二二極管(5)的陽極，第二端通過第一 二極管串或等價二極管(10)連接到所述第一二極管(2)的陽極并 且通過第二二極管串或等價二極管(11)連接到所述第二二極管(5) 的陰極。
8. 如權利要求6或權利要求7所述的電子換向器電路，其中所 述不同的一個開關級與關聯到所述第一電抗器(7)的所述一個開關 級相鄰。
9. 如權利要求6或權利要求7所述的電子換向器電路，其中所 述第一電抗器(7)與關聯到所述不同的一個開關級的所述第二電抗 器(7n+l)被偏移開關級的整數倍。
10. 如權利要求2所述的電子換向器電路，其中所述第一換向 強迫裝置還包括第一輔助晶閘管(14)和第一電容器(12)，它們彼 此串聯并且與所述第一晶閘管(1)并聯以使第一輔助晶閘管(14) 與所述第一晶閘管(1)具有相同的極性，并且其中所述第二換向強 迫裝置還包括第二輔助晶閘管(17)和第二電容器(15)，它們彼此 串聯并且與所述第二晶閘管(4)并聯以使第二輔助晶閘管(17)與 所述第二晶閘管(4)具有相同的極性。
11. 如權利要求IO所述的電子換向器電路，其中一個開關級還 包括第一電抗器(7)，該第一電抗器(7)具有初級繞組(8)，其第一端連接到所述第一晶閘管(1)的陰極 和所述第二晶閘管(4)的陽極，其第二端連接到所述公共耦合點(繞 組分接頭n)，和第二繞組(9)，磁耦合到所述初級繞組(8)。
12. 如權利要求11所述的電子換向器電路，其中所述第一電抗 器(7)包括一個芯，所述芯在一小部分的直流電機額定電機繞組電 流下飽和。
13. 如權利要求11或權利要求12所述的電子換向器電路，還 包括一個具有初級繞組(8n+l)和次級繞組(9n+l)的第二電抗器(7n+l)，初級繞組(8n+l)具有第一端和第二端，第一端連接到與 不同的一個開關級相關聯的第一晶閘管的陰極和與不同的一個開關 級相關聯的第二晶閘管的陽極，第二端連接到與所述不同的一個開關 級相關聯的公共耦合點，并且次級繞組(9n+l)磁耦合到所述初級繞組(8n+l)，次級繞組(9n+l)的第一端連接到(i) 處于所述一個開關級的第一晶閘管(1)的陰極與所述 第一電抗器(7)的初級繞組(8)之間的接頭，和(ii) 處于所述一個開關級的第二晶閘管(4)的陽極與所 述第一電抗器(7)的初級繞組(8)之間的接頭，并 且次級繞組(9n+l)的第二端(i) 通過第一二極管串或等價二極管(13)連接到所述第 一輔助晶閘管(14)與所述第一電容器(12)的接頭 上，禾口(ii) 通過第二二極管串或等價二極管(16)連接到所述第 二輔助晶閘管(17)和所述第二電容器(15)的接頭 上。
14. 如權利要求11到13中任一個所述的電子換向器電路，還 包括脈沖變壓器，該脈沖變壓器具有連接到開關模式電源的初級繞組 和磁耦合到該初級繞組的次級繞組，所述次級繞組具有第一端和第二 端，第一端連接到所述第一晶閘管的陰極和所述第二晶閘管的陽極， 第二端通過第一二極管串或等價二極管連接到所述第一輔助晶閘管與所述第一電容器的接頭上并且通過第二二極管串或等價二極管連 接到所述第二輔助晶閘管和所述第二電容器的接頭上。
15. 如權利要求13或權利要求14所述的電子換向器電路，其中所述不同的一個開關級與關聯到所述第一電抗器(7)的所述一個開關級相鄰。
16. 如權利要求13或權利要求14所述的電子換向器電路，其 中所述第一電抗器(7)與關聯到所述不同的一個開關級相關聯的所 述第二電抗器(7n+l)被偏移開關級的整數倍。
17. 如權利要求2到16中任一個所述的電子換向器電路，其中 由至少一個電流隔離的輔助電源對所述第二和第二電容器(12, 15)充電。
18. —種無刷直流旋轉電機，包括定子、轉子、具有多個由相 同數量的公共耦合點所連接的線圈的定子繞組、以及根據前述任一權 利要求所述的電子換向器電路，其中所述電子換向器電路的每個開關 級連接在每一個公共耦合點與所述第一和第二直流端之間。
19. 一種直流直線電機，包括傳送器、定子、具有多個由相同 數量的公共耦合點所連接的線圈的定子繞組、以及根據權利要求1 到17中任一個所述的電子換向器電路，其中所述電子換向器電路的 每個開關級連接在每一個公共耦合點與所述第一和第二直流端之間。
全文摘要
本發明的電子換向器電路提供了可以嵌入到已知電子換向器電路中以克服其低速轉矩限制的強迫換向裝置。該強迫換向裝置由添加到使用一對晶閘管(1，4)的基本開關級中的強迫換向增加件組成。電容器(3，6)可以預先充電并在放電時同步地補充線圈電壓，從而減小換向重疊時段并使有助于晶閘管(1，4)獲得正向阻斷能力的關斷時間最大化。可以使用提供這種電容性放電的兩種途徑。第一種途徑通過將會載送換向后電流的同一晶閘管來起動電容性放電。第二種途徑通過輔助晶閘管來起動該電容性放電。
文檔編號H02P6/14GK101331674SQ200680047341
公開日2008年12月24日 申請日期2006年9月4日 優先權日2005年10月18日
發明者艾倫·戴維·克蘭 申請人:康弗蒂姆有限公司