專利名稱：一種大電流無刷直流電機(jī)的主電路及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種大電流無刷直流電機(jī)的主電路及控制方法，屬于電動機(jī)控制和電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，無刷直流電機(jī)均采用可關(guān)斷功率器件，如IGBT等，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組的換流。但是，對于大電流(大于等于100A)無刷直流電機(jī)，采用可關(guān)斷器件實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jī)運(yùn)行可靠性降低等缺點(diǎn)。但是采用晶閘管作為大電流無刷直流電機(jī)繞組換流的開關(guān)器 件，存在晶閘管關(guān)斷困難、電機(jī)繞組電流連續(xù)調(diào)節(jié)困難等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種大電流無刷直流電機(jī)的主電路及控制方法，通過觸發(fā)輔助晶閘管和換向電容強(qiáng)迫關(guān)斷主電路晶閘管，實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組換流，通過控制輔助功率器件IGBT的導(dǎo)通占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組電流的連續(xù)調(diào)節(jié)，達(dá)到大電流無刷直流電機(jī)換流可靠、轉(zhuǎn)矩連續(xù)可控、四象限運(yùn)行的目的。本發(fā)明的上述目的是通過這樣的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種大電流無刷直流電機(jī)的主電路，電源P端連接第一 IGBT集電極，第一 IGBT發(fā)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(fā)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(jī)的三相繞組，無刷直流電機(jī)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(fā)射極、集電極之間連接有耗能電阻R1。所述第二 IGBT的發(fā)射極、集電極之間連接有續(xù)流二極管。所述第一 IGBT的發(fā)射極、集電極之間連接有續(xù)流二極管。一種大電流無刷直流電機(jī)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(jī)各個(gè)繞組的換流的開關(guān)器件；采用大功率可關(guān)斷器件IGBT，調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)的電流，實(shí)現(xiàn)大電流無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩連續(xù)可控和電機(jī)的四象限運(yùn)行。一種大電流無刷直流電機(jī)的控制方法，在無刷直流電機(jī)處于電動狀態(tài)時(shí)，控制第一 IGBT導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)電流增加，且一部分電能儲存在儲能電感LI中；當(dāng)控制第一 IGBT關(guān)斷時(shí)，存儲在電感LI中的能量繼續(xù)可以繼續(xù)向電機(jī)提供電流，電機(jī)電流緩慢下降，通過調(diào)節(jié)第一 IGBT導(dǎo)通占空比，控制無刷直流電機(jī)繞組中的電流大??；在無刷直流電機(jī)處于制動狀態(tài)時(shí)，控制第二 IGBT導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)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(jī)繞組構(gòu)成回路；當(dāng)控制第二 IGBT關(guān)斷時(shí)，電機(jī)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(jī)繞組構(gòu)成回路，電機(jī)制動時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能消耗在制動耗能電阻Rl中，通過調(diào)節(jié)第二 IGBT導(dǎo)通占空比，控制無刷直流電機(jī)制動時(shí)電流的大小。本發(fā)明一種大電流無刷直流電機(jī)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(jī)各個(gè)繞組的換流的開關(guān)器件，可以大幅度降低大電流無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制器的成本。采用大功率可關(guān)斷器件調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)的電流，實(shí)現(xiàn)大電流無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩連續(xù)可控和電機(jī)的四象限運(yùn)行。六個(gè)主晶閘管和兩個(gè)輔助晶閘管以及換向電容共同實(shí)現(xiàn)電機(jī)三相繞組的可靠換流，達(dá)到大電流無刷直流電機(jī)可以運(yùn)轉(zhuǎn)的基本條件。調(diào)節(jié)功率器件第一 IGBT的導(dǎo)通占空比，就可以有效控制無刷直流電機(jī)繞組中的電流大小，實(shí)現(xiàn)大電流無刷直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的連續(xù)可控。調(diào)節(jié)第二 IGBT導(dǎo)通占空比，就可以有效控制無刷直流電機(jī)制動時(shí)電流的大小，實(shí)現(xiàn)大電流無刷直流電機(jī)制動轉(zhuǎn)矩的連續(xù)可控和四象限運(yùn)行。 本發(fā)明采用半可控功率器件晶閘管，來實(shí)現(xiàn)大電流無刷直流電機(jī)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(guān)斷功率器件，從而可以提高大電流無刷直流電機(jī)運(yùn)行可靠性，無刷直流電機(jī)的功率越大。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明圖I是本發(fā)明主電路原理圖。圖2是本發(fā)明無刷直流電機(jī)繞組換流的原理圖。圖3是本發(fā)明換流過程的波形圖。圖4是本發(fā)明電機(jī)電動工況時(shí)控制電流的原理圖。圖5是本發(fā)明電機(jī)制動工況時(shí)控制電流的原理圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，一種大電流無刷直流電機(jī)的主電路，包括無刷直流電機(jī)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(fā)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(fā)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(jī)的三相繞組，無刷直流電機(jī)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(fā)射極、集電極之間連接有耗能電阻R1。所述第二 IGBT T2的發(fā)射極、集電極之間連接有續(xù)流二極管。所述第一 IGBT Tl的發(fā)射極、集電極之間連接有
續(xù)流二極管。
一種大電流無刷直流電機(jī)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(jī)各個(gè)繞組的換流的開關(guān)器件；采用大功率可關(guān)斷器件IGBT，調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)的電流，實(shí)現(xiàn)大電流無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩連續(xù)可控和電機(jī)的四象限運(yùn)行。在無刷直流電機(jī)處于電動狀態(tài)時(shí)，控制第一 IGBT Tl導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)電流增加，且一部分電能儲存在儲能電感LI中；當(dāng)控制第一 IGBT Tl關(guān)斷時(shí)，存儲在電感LI中的能量繼續(xù)可以繼續(xù)向電機(jī)提供電流，電機(jī)電流緩慢下降，通過調(diào)節(jié)第一 IGBT Tl導(dǎo)通占空比，控制無刷直流電機(jī)繞組中的電流大小。在無刷直流電機(jī)處于制動狀態(tài)時(shí)，控制第二 IGBT T2導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)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(jī)繞組構(gòu)成回路；當(dāng)控制第二 IGBT T2關(guān)斷時(shí)，電機(jī)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(jī)繞組構(gòu)成回路，電機(jī)制動時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能消耗在制動耗能電阻Rl中，通過調(diào)節(jié)第二 IGBT T2導(dǎo)通占空比，控制無刷直流電機(jī)制動時(shí)電流的大小。無刷直流電機(jī)繞組的換流過程可以分為關(guān)斷、充電、開通三個(gè)過程。關(guān)斷過程主要 是依靠觸發(fā)導(dǎo)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(qiáng)迫主晶閘管31、5253、54、55、56中已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，從而可靠關(guān)斷已導(dǎo)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(shè)定值，為觸發(fā)導(dǎo)通下一個(gè)晶閘管做必要準(zhǔn)備；開通過程即觸發(fā)待開通相晶閘管，使晶閘管導(dǎo)通，從而使與導(dǎo)通晶閘管相連的電機(jī)繞組電流上升到設(shè)定值的過程。以電機(jī)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(shè)初始時(shí)刻t0時(shí)A、C兩相導(dǎo)通電流，初始電流大小為10，此時(shí)第一晶閘管SI、第二晶閘管S2導(dǎo)通。當(dāng)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動到一定角度后，要求將A相電流轉(zhuǎn)移到B相，即要求關(guān)斷第一晶閘管SI，并且令第三晶閘管S3、第二晶閘管S2導(dǎo)通。此時(shí)先清除第一晶閘管SI的觸發(fā)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(fā)信號，并不能令第一晶閘管SI關(guān)斷，觸發(fā)第七晶閘管S7。由于電容Cl上的電壓為左正右負(fù)，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(dǎo)通。第七晶閘管S7導(dǎo)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(shí)刻，A相繞組電流過零，此時(shí)的-(Uc^Uad)小于零，確保第一晶閘管SI可靠關(guān)斷。關(guān)斷過程結(jié)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(jìn)入充電過程。在t2時(shí)刻，Cl上的電壓充到_Uth，且Uth-UBD>0，這時(shí)第三晶閘管S3導(dǎo)通的條件已經(jīng)滿足，充電過程結(jié)束。開通過程，t2時(shí)刻，Uth-UBD>0，給出第三晶閘管S3觸發(fā)信號，同時(shí)撤除第七晶閘管S7的觸發(fā)信號。第三晶閘管S3在收到觸發(fā)信號后立即導(dǎo)通，流過第三晶閘管S3的電流迅速上升至設(shè)定電流值第七晶閘管S7的觸發(fā)信號雖然已被撤除，且承受的也是反向電壓，但由于此時(shí)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(xù)上升，直至電流過零，第七晶閘管S7自然關(guān)斷，Ucl最終充到-Uc^由于第三晶閘管S3與電機(jī)B相繞組相連，第三晶閘管S3的導(dǎo)通，就意味著電機(jī)B相電流的建立，當(dāng)電機(jī)B相電流達(dá)到設(shè)定值10，而且第七晶閘管S7已經(jīng)關(guān)斷，表明充電過程結(jié)束。以上三個(gè)過程即完成了電機(jī)A相繞組電流向B相繞組換流的過程。當(dāng)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(zhǔn)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(gòu)成無刷直流電機(jī)電動工況時(shí)電流連續(xù)可調(diào)的斬波電路，如圖4所示由于IGBT內(nèi)部一般都反并聯(lián)了續(xù)流二極管，圖4中第一二極管Dl可以防止Tl導(dǎo)通時(shí)，電源Udc產(chǎn)生短路電流。無刷直流電機(jī)繞組電流由Tl控制，T2恒導(dǎo)通?？刂芓l導(dǎo)通時(shí)，直流電源Udc經(jīng)過第一 Tl、儲能電感LI、晶閘管主電路、電機(jī)繞組構(gòu)成電流回路，電流增加，儲能電感LI中的儲能也增加，當(dāng)電流增長到略大于設(shè)定值IO后，控制Tl關(guān)斷，儲能電感LI儲存的磁能對外釋放，電流經(jīng)儲能電感LI、晶閘管主電路、電機(jī)繞組、T2、第一二極管Dl構(gòu)成回路，電流逐步下降，當(dāng)電流下降到略小于設(shè)定值，再重新開通Tl，保持電機(jī)繞組中的電流穩(wěn)定在某一設(shè)定值10。Tl的導(dǎo)通占空比大，電機(jī)繞組中的穩(wěn)態(tài)電流值IO就大，連續(xù)改變Tl的導(dǎo)通占空比，就可以控制電機(jī)繞組電流的連續(xù)變化，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)電動工況時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的連續(xù)可控。圖I中T2、耗能電阻R1、第一二極管D1、儲能電感LI構(gòu)成無刷直流電機(jī)制動工況時(shí)電流連續(xù)可調(diào)的斬波電路，如圖5所示無刷直流電機(jī)工作在制動工況時(shí)，令主電路中的晶閘管SI S6工作在整流狀態(tài)，第七晶閘管S7、第八晶閘管S8恒關(guān)閉，電機(jī)繞組電流由T2控制，Tl恒關(guān)斷?？刂芓2導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)繞組電流增加，控制T2關(guān)斷時(shí)，電機(jī)繞組電流經(jīng)過耗能電阻Rl構(gòu)成回路，電機(jī)制動的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟牡诫娮鑂l中，電機(jī)電流減少。 連續(xù)調(diào)節(jié)T2的導(dǎo)通占空比，可以可以連續(xù)控制電機(jī)制動工況時(shí)的電流大小，從而可以連續(xù)控制無刷直流電機(jī)的制動轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的四象限運(yùn)行。如果只要求大電流無刷直流電機(jī)工作在正、反轉(zhuǎn)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(fā)明用于一臺電流等于100A的無刷直流電機(jī)主電路如圖I所示。主電路外加直流電壓Udc=600V，主電路電機(jī)繞組換流功能由6個(gè)主晶閘管S1 S6和2個(gè)輔助晶閘管S7 S8構(gòu)成。6個(gè)主晶閘管每次導(dǎo)通2個(gè)(上橋臂I個(gè)、下橋臂I個(gè))，控制電機(jī)兩相繞組通過電流。由于晶閘管無主動關(guān)斷能力，繞組需要換流時(shí)，關(guān)斷上橋臂晶閘管通過控制第七晶閘管S7實(shí)現(xiàn)換流，關(guān)斷下橋臂晶閘管通過控制第八晶閘管S8實(shí)現(xiàn)換流。電路中主要元件參數(shù)晶閘管SI S8 :50A/1200V，換向電容Cl :10uf/1200V無極性電容。電機(jī)電動工況時(shí)電流調(diào)節(jié)電路見圖4所示?？刂芓l導(dǎo)通，占空比從O. 9至O. 2，電機(jī)電流的調(diào)節(jié)范圍可以從120A到25A，滿足無刷電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的要求。電路中主要元件的參數(shù)T1 150A/1200V 的 IGBT，儲能電感 LI :lHm/120A。電機(jī)制動工況時(shí)電流調(diào)節(jié)電路見圖2所示?？刂芓2導(dǎo)通，占空比從I至O. 2，電機(jī)電流的調(diào)節(jié)范圍可以從100A到20A，滿足無刷電機(jī)制動時(shí)轉(zhuǎn)矩變化的要求。電路中主要元件的參數(shù)T2 150A/1200V 的 IGBT，第一二極管 Dl :120A/1200V，耗能電阻 Rl :3Ω/750(Μ。
權(quán)利要求
1.一種大電流無刷直流電機(jī)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(fā)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(fā)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(jī)的三相繞組，無刷直流電機(jī)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(jù)權(quán)利要求I所述一種大電流無刷直流電機(jī)的主電路，其特征在于所述第二IGBT (T2)的發(fā)射極、集電極之間連接有耗能電阻(Rl)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種大電流無刷直流電機(jī)的主電路，其特征在于所述第一IGBT (Tl)的發(fā)射極、集電極之間連接有續(xù)流二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述一種大電流無刷直流電機(jī)的主電路，其特征在于所述第二 IGBT (T2)的發(fā)射極、集電極之間連接有續(xù)流二極管。
5.一種大電流無刷直流電機(jī)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(jī)各個(gè)繞組的換流的開關(guān)器件；采用大功率可關(guān)斷器件IGBT，調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)的電流，實(shí)現(xiàn)大電流無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩連續(xù)可控和電機(jī)的四象限運(yùn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種大電流無刷直流電機(jī)的控制方法，其特征在于當(dāng)晶閘管主電路上橋臂晶閘管(SI、S3、S5)中某一個(gè)導(dǎo)通后，通過觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管(S7)，來強(qiáng)迫關(guān)斷晶閘管主電路上橋臂晶閘管(SI、S3、S5)中導(dǎo)通的晶閘管，當(dāng)晶閘管主電路下橋臂晶閘管(S4、S6、S2)中某一個(gè)導(dǎo)通后，通過觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管(S8)，來強(qiáng)迫關(guān)斷(S4、S6、S2)中導(dǎo)通的晶閘管，從而實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)繞組換流功能。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種大電流無刷直流電機(jī)的控制方法，其特征在于在無刷直流電機(jī)處于電動狀態(tài)時(shí)，控制第一 IGBT (Tl)導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)電流增加，且一部分電能儲存在儲能電感(LI)中；當(dāng)控制第一 IGBT (Tl)關(guān)斷時(shí)，存儲在電感(LI)中的能量繼續(xù)可以繼續(xù)向電機(jī)提供電流，電機(jī)電流緩慢下降，通過調(diào)節(jié)第一 IGBT (Tl)導(dǎo)通占空比，控制無刷直流電機(jī)繞組中的電流大??；在無刷直流電機(jī)處于制動狀態(tài)時(shí)，控制第二 IGBT (T2)導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)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(jī)繞組構(gòu)成回路；當(dāng)控制第二 IGBT (T2)關(guān)斷時(shí)，電機(jī)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(jī)繞組構(gòu)成回路，電機(jī)制動時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能消耗在制動耗能電阻(Rl)中，通過調(diào)節(jié)第二 IGBT (T2)導(dǎo)通占空比，控制無刷直流電機(jī)制動時(shí)電流的大小。
全文摘要
一種大電流無刷直流電機(jī)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(jī)各個(gè)繞組的換流的開關(guān)器件；采用大功率可關(guān)斷器件IGBT，調(diào)節(jié)無刷直流電機(jī)的電流，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)大電流無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩連續(xù)可控和電機(jī)的四象限運(yùn)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(yōu)先權(quán)日2012年9月11日
發(fā)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