專利名稱：一種大電流無刷直流電機的主電路及控制方法
技術領域：
本發明一種大電流無刷直流電機的主電路及控制方法，屬于電動機控制和電力電子技術應用領域。
背景技術：
目前，無刷直流電機均采用可關斷功率器件，如IGBT等，來實現電機繞組的換流。但是，對于大電流(大于等于100A)無刷直流電機，采用可關斷器件實現電機繞組換流，具有功率器件的成本高，耐電流沖擊能力弱，造成大電流無刷直流電機運行可靠性降低等缺點。但是采用晶閘管作為大電流無刷直流電機繞組換流的開關器 件，存在晶閘管關斷困難、電機繞組電流連續調節困難等問題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提出一種大電流無刷直流電機的主電路及控制方法，通過觸發輔助晶閘管和換向電容強迫關斷主電路晶閘管，實現電機繞組換流，通過控制輔助功率器件IGBT的導通占空比，實現電機繞組電流的連續調節，達到大電流無刷直流電機換流可靠、轉矩連續可控、四象限運行的目的。本發明的上述目的是通過這樣的技術方案來實現的一種大電流無刷直流電機的主電路，電源P端連接第一 IGBT集電極，第一 IGBT發射極連接儲能電感LI 一端、第一二極管Dl —端，第一二極管Dl另一端連接第二 IGBT發射極，第二 IGBT集電極連接電源N端；儲能電感LI另一端分別連接第一晶閘管SI、第三晶閘管S3、第五晶閘管S5、第七晶閘管S7的陽極，所述第一晶閘管SI、第三晶閘管S3、第五晶閘管S5、第七晶閘管S7的陰極分別連接第四晶閘管S4、第六晶閘管S6、第二晶閘管S2、第八晶閘管S8的陽極，所述第四晶閘管S4、第六晶閘管S6、第二晶閘管S2、第八晶閘管S8的陰極連接電源N端；所述第一晶閘管SI、第三晶閘管S3、第五晶閘管S5的陰極分別連接無刷直流電機的三相繞組，無刷直流電機的三相繞組公共端D端通過換向電容Cl連接第八晶閘管S8的陽極。所述第二 IGBT的發射極、集電極之間連接有耗能電阻R1。所述第二 IGBT的發射極、集電極之間連接有續流二極管。所述第一 IGBT的發射極、集電極之間連接有續流二極管。一種大電流無刷直流電機的控制方法，采用半可控功率器件晶閘管，取代全可控功率器件，作為大電流無刷直流電機各個繞組的換流的開關器件；采用大功率可關斷器件IGBT，調節無刷直流電機的電流，實現大電流無刷直流電機的電磁轉矩連續可控和電機的四象限運行。一種大電流無刷直流電機的控制方法，在無刷直流電機處于電動狀態時，控制第一 IGBT導通時，電機電流增加，且一部分電能儲存在儲能電感LI中；當控制第一 IGBT關斷時，存儲在電感LI中的能量繼續可以繼續向電機提供電流，電機電流緩慢下降，通過調節第一 IGBT導通占空比，控制無刷直流電機繞組中的電流大小；在無刷直流電機處于制動狀態時，控制第二 IGBT導通時，電機電流通過第二 IGBT、第一二極管D1、晶閘管S1、S2、S3、S4、S5、S6和電機繞組構成回路；當控制第二 IGBT關斷時，電機電流通過耗能電阻R1、第一二極管Dl、晶閘管S1、S2、S3、S4、S5、S6和電機繞組構成回路，電機制動時的機械能轉變成電能消耗在制動耗能電阻Rl中，通過調節第二 IGBT導通占空比，控制無刷直流電機制動時電流的大小。本發明一種大電流無刷直流電機的主電路及控制方法，采用半可控功率器件晶閘管，取代全可控功率器件，如IGBT等，作為大電流無刷直流電機各個繞組的換流的開關器件，可以大幅度降低大電流無刷直流電機驅動控制器的成本。采用大功率可關斷器件調節無刷直流電機的電流，實現大電流無刷直流電機的電磁轉矩連續可控和電機的四象限運行。六個主晶閘管和兩個輔助晶閘管以及換向電容共同實現電機三相繞組的可靠換流，達到大電流無刷直流電機可以運轉的基本條件。調節功率器件第一 IGBT的導通占空比，就可以有效控制無刷直流電機繞組中的電流大小，實現大電流無刷直流電機電磁轉矩的連續可控。調節第二 IGBT導通占空比，就可以有效控制無刷直流電機制動時電流的大小，實現大電流無刷直流電機制動轉矩的連續可控和四象限運行。 本發明采用半可控功率器件晶閘管，來實現大電流無刷直流電機各繞組的換流，主電路成本可以明顯降低，且晶閘管耐電流沖擊能力大大高于可關斷功率器件，從而可以提高大電流無刷直流電機運行可靠性，無刷直流電機的功率越大。
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明圖I是本發明主電路原理圖。圖2是本發明無刷直流電機繞組換流的原理圖。圖3是本發明換流過程的波形圖。圖4是本發明電機電動工況時控制電流的原理圖。圖5是本發明電機制動工況時控制電流的原理圖。
具體實施例方式如圖I所示，一種大電流無刷直流電機的主電路，包括無刷直流電機的電流控制電路、繞組換流電路、制動電路。電源P端連接第一 IGBT Tl集電極，第一 IGBT Tl發射極連接儲能電感LI 一端、第一二極管Dl —端，第一二極管Dl另一端連接第二 IGBT T2發射極，第二 IGBT T2集電極連接電源N端。儲能電感LI另一端分別連接第一晶閘管SI、第三晶閘管S3、第五晶閘管S5、第七晶閘管S7的陽極，所述第一晶閘管SI、第三晶閘管S3、第五晶閘管S5、第七晶閘管S7的陰極分別連接第四晶閘管S4、第六晶閘管S6、第二晶閘管S2、第八晶閘管S8的陽極，所述第四晶閘管S4、第六晶閘管S6、第二晶閘管S2、第八晶閘管S8的陰極連接電源N端。所述第一晶閘管SI、第三晶閘管S3、第五晶閘管S5的陰極分別連接無刷直流電機的三相繞組，無刷直流電機的三相繞組公共端D端通過換向電容Cl連接第八晶閘管S8的陽極。所述第二 IGBT T2的發射極、集電極之間連接有耗能電阻R1。所述第二 IGBT T2的發射極、集電極之間連接有續流二極管。所述第一 IGBT Tl的發射極、集電極之間連接有
續流二極管。
一種大電流無刷直流電機的控制方法，采用半可控功率器件晶閘管，取代全可控功率器件，作為大電流無刷直流電機各個繞組的換流的開關器件；采用大功率可關斷器件IGBT，調節無刷直流電機的電流，實現大電流無刷直流電機的電磁轉矩連續可控和電機的四象限運行。在無刷直流電機處于電動狀態時，控制第一 IGBT Tl導通時，電機電流增加，且一部分電能儲存在儲能電感LI中；當控制第一 IGBT Tl關斷時，存儲在電感LI中的能量繼續可以繼續向電機提供電流，電機電流緩慢下降，通過調節第一 IGBT Tl導通占空比，控制無刷直流電機繞組中的電流大小。在無刷直流電機處于制動狀態時，控制第二 IGBT T2導通時，電機電流通過第二 IGBT T2、第一二極管D1、晶閘管SI、S2、S3、S4、S5、S6和電機繞組構成回路；當控制第二 IGBT T2關斷時，電機電流通過耗能電阻R1、第一二極管D1、晶閘管SI、S2、S3、S4、S5、S6和電機繞組構成回路，電機制動時的機械能轉變成電能消耗在制動耗能電阻Rl中，通過調節第二 IGBT T2導通占空比，控制無刷直流電機制動時電流的大小。無刷直流電機繞組的換流過程可以分為關斷、充電、開通三個過程。關斷過程主要 是依靠觸發導通輔助晶閘管S7或S8，將換向電容Cl上的電壓加到主晶閘管上，強迫主晶閘管31、5253、54、55、56中已經導通的晶閘管關斷，從而可靠關斷已導通的主晶閘管；充電過程主要是將換向電容Cl上電壓充到設定值，為觸發導通下一個晶閘管做必要準備；開通過程即觸發待開通相晶閘管，使晶閘管導通，從而使與導通晶閘管相連的電機繞組電流上升到設定值的過程。以電機A相繞組電流換流到B相繞組為例，說明換流過程，如圖2、圖3所示。假設初始時刻t0時A、C兩相導通電流，初始電流大小為10，此時第一晶閘管SI、第二晶閘管S2導通。當電機正向轉動到一定角度后，要求將A相電流轉移到B相，即要求關斷第一晶閘管SI，并且令第三晶閘管S3、第二晶閘管S2導通。此時先清除第一晶閘管SI的觸發信號。由于晶閘管是半可控功率器件，清除第一晶閘管SI的觸發信號，并不能令第一晶閘管SI關斷，觸發第七晶閘管S7。由于電容Cl上的電壓為左正右負，使得第七晶閘管S7承受正向電壓，因此第七晶閘管S7立即導通。第七晶閘管S7導通后，第一晶閘管SI由原先承受的正向電壓變成了 -(Uc^Uad)，即反向電壓。A相繞組中的電流開始逐漸減小，在tl時刻，A相繞組電流過零，此時的-(Uc^Uad)小于零，確保第一晶閘管SI可靠關斷。關斷過程結束后，電路開始向換向電容Cl充電，使換向電容Cl電壓反向，即進入充電過程。在t2時刻，Cl上的電壓充到_Uth，且Uth-UBD>0，這時第三晶閘管S3導通的條件已經滿足，充電過程結束。開通過程，t2時刻，Uth-UBD>0，給出第三晶閘管S3觸發信號，同時撤除第七晶閘管S7的觸發信號。第三晶閘管S3在收到觸發信號后立即導通，流過第三晶閘管S3的電流迅速上升至設定電流值第七晶閘管S7的觸發信號雖然已被撤除，且承受的也是反向電壓，但由于此時流過第七晶閘管S7的電流還未過零，因此換向電容Cl的電壓將繼續上升，直至電流過零，第七晶閘管S7自然關斷，Ucl最終充到-Uc^由于第三晶閘管S3與電機B相繞組相連，第三晶閘管S3的導通，就意味著電機B相電流的建立，當電機B相電流達到設定值10，而且第七晶閘管S7已經關斷，表明充電過程結束。以上三個過程即完成了電機A相繞組電流向B相繞組換流的過程。當電容Cl上的電壓Ucl充電到-Utl,即為第二晶閘管S2向第四晶閘管S4換流做好了準備。圖I中第一 IGBT為Tl、儲能電感LI、第二 IGBT為T2、第一二極管Dl構成無刷直流電機電動工況時電流連續可調的斬波電路，如圖4所示由于IGBT內部一般都反并聯了續流二極管，圖4中第一二極管Dl可以防止Tl導通時，電源Udc產生短路電流。無刷直流電機繞組電流由Tl控制，T2恒導通。控制Tl導通時，直流電源Udc經過第一 Tl、儲能電感LI、晶閘管主電路、電機繞組構成電流回路，電流增加，儲能電感LI中的儲能也增加，當電流增長到略大于設定值IO后，控制Tl關斷，儲能電感LI儲存的磁能對外釋放，電流經儲能電感LI、晶閘管主電路、電機繞組、T2、第一二極管Dl構成回路，電流逐步下降，當電流下降到略小于設定值，再重新開通Tl，保持電機繞組中的電流穩定在某一設定值10。Tl的導通占空比大，電機繞組中的穩態電流值IO就大，連續改變Tl的導通占空比，就可以控制電機繞組電流的連續變化，實現無刷直流電機電動工況時電磁轉矩的連續可控。圖I中T2、耗能電阻R1、第一二極管D1、儲能電感LI構成無刷直流電機制動工況時電流連續可調的斬波電路，如圖5所示無刷直流電機工作在制動工況時，令主電路中的晶閘管SI S6工作在整流狀態，第七晶閘管S7、第八晶閘管S8恒關閉，電機繞組電流由T2控制，Tl恒關斷。控制T2導通時，電機繞組電流增加，控制T2關斷時，電機繞組電流經過耗能電阻Rl構成回路，電機制動的機械能轉變為電能消耗到電阻Rl中，電機電流減少。 連續調節T2的導通占空比，可以可以連續控制電機制動工況時的電流大小，從而可以連續控制無刷直流電機的制動轉矩，實現無刷直流電機的四象限運行。如果只要求大電流無刷直流電機工作在正、反轉的二象限電動工況，主電路中的T2和耗能電阻Rl可以省略不用。本發明用于一臺電流等于100A的無刷直流電機主電路如圖I所示。主電路外加直流電壓Udc=600V，主電路電機繞組換流功能由6個主晶閘管S1 S6和2個輔助晶閘管S7 S8構成。6個主晶閘管每次導通2個(上橋臂I個、下橋臂I個)，控制電機兩相繞組通過電流。由于晶閘管無主動關斷能力，繞組需要換流時，關斷上橋臂晶閘管通過控制第七晶閘管S7實現換流，關斷下橋臂晶閘管通過控制第八晶閘管S8實現換流。電路中主要元件參數晶閘管SI S8 :50A/1200V，換向電容Cl :10uf/1200V無極性電容。電機電動工況時電流調節電路見圖4所示。控制Tl導通，占空比從O. 9至O. 2，電機電流的調節范圍可以從120A到25A，滿足無刷電機負載轉矩變化的要求。電路中主要元件的參數T1 150A/1200V 的 IGBT，儲能電感 LI :lHm/120A。電機制動工況時電流調節電路見圖2所示。控制T2導通，占空比從I至O. 2，電機電流的調節范圍可以從100A到20A，滿足無刷電機制動時轉矩變化的要求。電路中主要元件的參數T2 150A/1200V 的 IGBT，第一二極管 Dl :120A/1200V，耗能電阻 Rl :3Ω/750(Μ。
權利要求
1.一種大電流無刷直流電機的主電路，其特征在于電源P端連接第一 IGBT (Tl)集電極，第一 IGBT (Tl)發射極連接儲能電感(LI) 一端、第一二極管(Dl) —端,第一二極管(Dl)另一端連接第二 IGBT (T2)發射極，第二 IGBT (T2)集電極連接電源N端； 儲能電感(LI)另一端分別連接第一晶閘管(SI)、第三晶閘管(S3)、第五晶閘管(S5)、第七晶閘管(S7)的陽極，所述第一晶閘管(SI)、第三晶閘管(S3)、第五晶閘管(S5)、第七晶閘管(S7)的陰極分別連接第四晶閘管(S4)、第六晶閘管(S6)、第二晶閘管(S2)、第八晶閘管(S8)的陽極，所述第四晶閘管(S4)、第六晶閘管(S6)、第二晶閘管(S2)、第八晶閘管(S8)的陰極連接電源N端； 所述第一晶閘管(SI)、第三晶閘管(S3)、第五晶閘管(S5)的陰極分別連接無刷直流電機的三相繞組，無刷直流電機的三相繞組公共端D端通過換向電容(Cl)連接第八晶閘管 (S8)的陽極。
2.根據權利要求I所述一種大電流無刷直流電機的主電路，其特征在于所述第二IGBT (T2)的發射極、集電極之間連接有耗能電阻(Rl)。
3.根據權利要求I所述一種大電流無刷直流電機的主電路，其特征在于所述第一IGBT (Tl)的發射極、集電極之間連接有續流二極管。
4.根據權利要求I或2所述一種大電流無刷直流電機的主電路，其特征在于所述第二 IGBT (T2)的發射極、集電極之間連接有續流二極管。
5.一種大電流無刷直流電機的控制方法，其特征在于采用半可控功率器件晶閘管，取代全可控功率器件，作為大電流無刷直流電機各個繞組的換流的開關器件；采用大功率可關斷器件IGBT，調節無刷直流電機的電流，實現大電流無刷直流電機的電磁轉矩連續可控和電機的四象限運行。
6.根據權利要求5所述一種大電流無刷直流電機的控制方法，其特征在于當晶閘管主電路上橋臂晶閘管(SI、S3、S5)中某一個導通后，通過觸發導通晶閘管(S7)，來強迫關斷晶閘管主電路上橋臂晶閘管(SI、S3、S5)中導通的晶閘管，當晶閘管主電路下橋臂晶閘管(S4、S6、S2)中某一個導通后，通過觸發導通晶閘管(S8)，來強迫關斷(S4、S6、S2)中導通的晶閘管，從而實現無刷直流電機繞組換流功能。
7.根據權利要求5所述一種大電流無刷直流電機的控制方法，其特征在于在無刷直流電機處于電動狀態時，控制第一 IGBT (Tl)導通時，電機電流增加，且一部分電能儲存在儲能電感(LI)中；當控制第一 IGBT (Tl)關斷時，存儲在電感(LI)中的能量繼續可以繼續向電機提供電流，電機電流緩慢下降，通過調節第一 IGBT (Tl)導通占空比，控制無刷直流電機繞組中的電流大小；在無刷直流電機處于制動狀態時，控制第二 IGBT (T2)導通時，電機電流通過第二 IGBT (T2)、第一二極管(D1)、晶閘管(SI、S2、S3、S4、S5、S6)和無刷直流電機繞組構成回路；當控制第二 IGBT (T2)關斷時，電機電流通過耗能電阻(R1)、第一二極管(D1)、晶閘管(SI、S2、S3、S4、S5、S6)和無刷直流電機繞組構成回路，電機制動時的機械能轉變成電能消耗在制動耗能電阻(Rl)中，通過調節第二 IGBT (T2)導通占空比，控制無刷直流電機制動時電流的大小。
全文摘要
一種大電流無刷直流電機的主電路及控制方法，采用半可控功率器件晶閘管，取代全可控功率器件，作為大電流無刷直流電機各個繞組的換流的開關器件；采用大功率可關斷器件IGBT，調節無刷直流電機的電流，本發明實現大電流無刷直流電機的電磁轉矩連續可控和電機的四象限運行。
文檔編號H02P6/14GK102857162SQ20121033404
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月11日 優先權日2012年9月11日
發明者黃聲華, 鄧衍貴, 楊青, 蘇洪昌, 曾昭國 申請人:宜昌清江電氣有限公司