一种基于准Z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统

一种基于准z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统
技术领域
1.本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于准z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统。


背景技术：

2.作为全球产业自动化领域的动力之源，电机驱动系统供需市场规模的日益上升及其应用环境、运行工况的日益复杂，都将对电机驱动系统成本、环境适应性及运行可靠性提出更严格的技术标准与更高的技术需求。在全球加速产业自动化与倡导绿色智能制造的大背景下，无稀土开关磁阻电机由于电机成本低、恶劣环境适应性强、故障容错性好以及重载能力可持续性强等突出优势成为国内外研究热点，其先进控制技术研究可为国家战略需求提供支撑。
3.由于开关磁阻电机的双凸极结构、高度非线性的磁路特性以及分相励磁的驱动方式，系统运行过程振动噪声大，转矩脉动严重。最广泛使用的不对称半桥变换器拓扑由分立式开关器件组装而成，具有集成度和功率密度低，体积大以及功率器件选择灵活性差的缺点。为适应电机驱动市场对体积与成本、可靠性以及运行性能等要求越来越高的发展趋势，继承并强化开关磁阻电机固有优势，找到具有广泛的应用范围和强大的抗干扰能力的高集成的开关磁阻电机驱动器系统对提高系统功率密度和减少转矩脉动非常重要。
4.考虑开关磁阻电机系统集成度，体积大小以及应用范围，一种由全桥模块和双开关模块组成的三相开关磁阻电机模块化变换器被提出。由于使用了两个标准且常用的开关模块，提高了系统集成度和器件利用率，拓宽了器件选型范围。在专利“一种用于三相srm模块化功率变换器的双极性励磁控制策略”中(zl201610097014.9)，提出了新的相支路操作模式，但由于模块化功率变换器中的两相串联励磁，一相的励磁电压很低。励磁时间长和电压水平限制会增加转矩脉动。另外，由于在复杂的工作条件下，全桥开关模块很容易因电磁干扰而引起桥臂直通问题，因此上述模块化变换器具有较低的抗扰性和可靠性，这削弱了开关磁阻电机具有良好的环境适应性的优势。


技术实现要素：

5.本发明的目的是继承并强化开关磁阻电机宽调速、恶劣环境适应性好等固有优势，解决现有开关磁阻电机模块化驱动系统研究存在励磁电压不足，抗扰性与可靠性较低等技术问题，弥补和改善z源/准z源网络与开关磁阻电机匹配性差、系统集成度低等欠缺，提出一种基于准z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统。准z源模块化变换器是在模块化变换器的前端级联一个准z源电路，通过级联准z源电路可提升直流母线电压，加快了励磁和退磁过程，同时扩展电机的调速范围，并将传统全桥的直通状态变为正常工作状态，增强了系统的抗扰性和可靠性。本发明为一种高集成度、高功率密度、高可靠性、直流母线电压可调的三相开关磁阻电机系统。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种基于准z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统，该系统包括三相开关磁阻电机、准z源模块化变换器、位置传感器、定子绕组电流传感器、输出电源电流传感器、母线电压传感器以及为准z源模块化变换器提供驱动信号的控制器；
8.其中，控制器分别和准z源模块化变换器、位置传感器、定子绕组电流传感器、输出电源电流传感器、母线电压传感器相连；准z源模块化变换器分别与三相开关磁阻电机、输出电源电流传感器、母线电压传感器以及直流电源相连；三相开关磁阻电机分别与位置传感器和定子绕组电流传感器相连；
9.所述的准z源模块化变换器由一个前端准z源电路和四组并联的功率变换单元组成，四组功率变换单元之间连接三相开关磁阻电机的相定子绕组，用于为开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁；
10.其中，所述的前端准z源电路包括带反并联二极管(d
z
)的开关管s
z
，第一电容器c1，第二电容器c2，第一电感器l1，第二电感器l2；其中，第一电感器l1的一端与直流电源v
in
正极相连，第一电感器l1的另一端与开关管s
z
的一端、第一电容器c1的负极以及反并联二极管d
z
的阳极相连，反并联二极管d
z
的阴极(第一开关管的另一端)与第二电容器c2的正极以及第二电感器l2的一端相连，第二电容器c2的负极与直流电源v
in
负极相连，第一电容器c1的正极和第二电感器l2的另—端相连；
11.所述的四组并联的功率变换单元中，每个功率变换单元包含两个串联的带反并联二极管的开关管，即第一组功率变换单元包含两个带反并联二极管的开关管s1，s2；第二组功率变换单元包含两个带反并联二极管的开关管s3，s4；第三组功率变换单元包含两个带反并联二极管的开关管s5，s6；第四组功率变换单元包含两个带反并联二极管的开关管s7，s8；
12.四组功率变换单元的上开关管(s1，s3，s5，s7)的一端与第一电容器c1的正极相连，前三组功率变换单元上开关管(s1，s3，s5)的另一端、前三组功率变换单元下开关管(s2，s4，s6)的一端均与三相定子绕组a、b、c的非公共端相连，三个公共端同时相连，四组功率变换单元的下开关管(s2，s4，s6，s8)的另一端与第二电容器c2的负极相连；第四组功率变换单元的上开关管s7的另一端与下开关管s8的一端以及所有相定子绕组的公共端n相连。
13.所述的开关磁阻电机相定子绕组为星形连接且引出中线，即三相定子绕组的一端连接于一公共端n；
14.所述的位置传感器用于检测三相开关磁阻电机转子位置；
15.所述的电流传感器用于检测三相定子绕组上对应的三相定子绕组电流及输出电源电流；
16.所述的电压传感器用于检测直流母线电压；
17.所述的控制器根据转子位置、电流和电压信号为功率变换器提供控制信号。
18.所述的所有带反并联二极管的开关管均采用带反并联快速恢复二极管的coolmos管或igbt。
19.所述的基于准z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统的运行方法，其特征为包括以下步骤：
20.在一个相电流周期内，每一相定子绕组都存在四种电流工作模式：1)直通模式；2)非直通励磁模式；3)非直通零电压续流模式；4)非直通退磁模式：
21.1)当变换器注入直通信号时，一组功率变换单元的上下开关管同时导通，即开关
管(s1，s2)、(s3，s4)、(s5，s6)、(s7，s8)中的一组开关管开通；准z源二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，无论其余三组功率变换单元开关管处于什么状态，此时系统处于直通模式；
22.2)当变换器未注入直通信号时，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，后端模块化变换器一组功率变换单元的一个上开关管(s1、s3、s5或s7)和另一组功率变换单元的一个下开关管(s2、s4、s6或s8)导通，此时系统处于非直通励磁模式；
23.3)当变换器未注入直通信号时，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，后端模块化变换器只存在一个开关管导通，即开关管s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8中任一开关管开通，此时系统处于非直通零电压续流模式；
24.4)当变换器未注入直通信号时，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，后端模块化变换器所有开关管都关断，此时系统处于非直通退磁模式。
25.所述的基于准z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统的运行方法，其特征为具体运行方法如下：
26.定义开关磁阻电机a、b、c三相绕组的开通角为θ
ona
、θ
onb
、θ
onc
，关断角为θ
offa
、θ
offb
、θ
offc
，定义各相电流流入n点为正方向，转子位置角为θ，且励磁顺序为ca
→
a
→
ab
→
b
→
bc
→
c
→
ca；
27.当θ
ona
≤θ<θ
offc
时，a相、c相导通，a相定子绕组所连功率变换单元的上开关管和c相定子绕组所连功率变换单元的下开关管同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，并与准z源电路输出端形成完整回路，此时a、c两相绕组串联励磁，系统处于非直通励磁模式；此时给a相定子绕组所连功率变换单元的上下两个开关管注入直通信号使其导通，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a、c两相绕组串联续流，系统处于直通模式；或a相定子绕组所连功率变换单元的下开关管和c相定子绕组所连功率变换单元的上开关管同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，并与准z源电路输出端形成完整回路，此时a、c两相绕组串联励磁，系统处于非直通励磁模式。此时给c相定子绕组所连功率变换单元的上下两个开关管注入直通信号使其导通，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a、c两相绕组串联续流，系统处于直通模式；
28.当θ
offc
≤θ<θ
onb
时，c相关断，a相处于导通，a相定子绕组所连功率变换单元的上开关管和中线所连功率变换单元的下开关管同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，并与准z源电路输出端形成完整回路，此时a相绕组单独励磁，b相绕组退磁，系统处于非直通励磁模式；此时给a相定子绕组所连功率变换单元的上下两个开关管注入直通信号使其导通，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a相绕组单独续流，系统处于直通模式；或a相定子绕组所连功率变换单元的下开关管和中线所连功率变换单元的上开关管同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，并与准z源电路输出端形成完整回路，此时a相绕组单独励磁，b相绕组退磁，系统处于非直通励磁模式；此时给中线所连功率变换单元的上下两个开关管注入直通信号使其导通，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a相绕组单独续流，系统处于直通模式；
29.当θ
onb
≤θ<θ
offa
时，a相、b相导通，a相定子绕组所连功率变换单元的上开关管和b相定子绕组所连功率变换单元的下开关管同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，并与准z源电路输出端形成完整回路，此时a、b两相绕组串联励磁，系统处于非直
通励磁模式；此时给a相定子绕组所连功率变换单元的上下两个开关管注入直通信号使其导通，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a、b两相绕组串联续流，系统处于直通模式；或a相定子绕组所连功率变换单元的下开关管和b相定子绕组所连功率变换单元的上开关管同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，并与准z源电路输出端形成完整回路，此时a、b两相绕组串联励磁，系统处于非直通励磁模式；此时给b相定子绕组所连功率变换单元的上下两个开关管注入直通信号使其导通，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a、b两相绕组串联续流，系统处于直通模式；
30.当θ
offa
≤θ<θ
onc
时，a相关断，b相处于导通，中线所连功率变换单元的上开关管和b相定子绕组所连功率变换单元的下开关管同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，并与准z源电路输出端形成完整回路，此时b相绕组单独励磁，a相绕组退磁，系统处于非直通励磁模式；此时给中线所连功率变换单元的上下两个开关管注入直通信号使其导通，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a相绕组单独续流，系统处于直通模式；或中线所连功率变换单元的下开关管和b相定子绕组所连功率变换单元的上开关管同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，并与准z源电路输出端形成完整回路，此时b相绕组单独励磁，a相绕组退磁，系统处于非直通励磁模式；此时给b相定子绕组所连功率变换单元的的上下两个开关管注入直通信号使其导通，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时b相绕组单独续流，系统处于直通模式；
31.当θ
onc
≤θ<θ
offb
时，b相、c相导通，c相定子绕组所连功率变换单元的上开关管和b相定子绕组所连功率变换单元的下开关管同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，并与准z源电路输出端形成完整回路，此时b、c两相绕组串联励磁，系统处于非直通励磁模式；此时给c相定子绕组所连功率变换单元的上下两个开关管注入直通信号使其导通，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时b、c两相绕组串联续流，系统处于直通模式；或c相定子绕组所连功率变换单元的下开关管和b相定子绕组所连功率变换单元的上开关管同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，并与准z源电路输出端形成完整回路，此时b、c两相绕组串联励磁，系统处于非直通励磁模式。此时给b相定子绕组所连功率变换单元的上下两个开关管注入直通信号使其导通，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时b、c两相绕组串联续流，系统处于直通模式；
32.当θ
offb
≤θ<θ
ona
时，b相关断，c相仍处于导通，c相定子绕组所连功率变换单元的上开关管和中线所连功率变换单元的下开关管同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，并与准z源电路输出端形成完整回路，此时c相绕组单独励磁，b相绕组退磁，系统处于非直通励磁模式；此时给c相定子绕组所连功率变换单元的上下两个开关管注入直通信号使其导通，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时c相绕组单独续流，系统处于直通模式；或c相定子绕组所连功率变换单元的下开关管和中线所连功率变换单元的上开关管同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，并与准z源电路输出端形成完整回路，此时c相绕组单独励磁，b相绕组退磁，系统处于非直通励磁模式；此时给中线所连功率变换单元的上下两个开关管注入直通信号使其导通，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时c相绕组单独续流，系统处于直通模式。
33.所述的一种基于准z源的三相开关磁阻电机功率变换器中，直通控制信号是由电压闭环控制所生成的固定频率的pwm信号，准z源电路中开关管s
z
的控制信号为直通信号取
反；后端模块化变换器的开关管信号是根据三相定子绕组电流、转子位置以及运行模式需求所生成的，直通信号与后端模块化变换器信号相与得出最终开关管的控制信号。
34.所述的基于准z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统的运行方法，其特征为所述的一种基于准z源的三相开关磁阻电机功率变换器中，直通信号注入路径如下：在a相定子绕组正向导通时，直通信号注入与a相定子绕组相连的功率变换单元开关管；在b相定子绕组正向导通时，直通信号注入与b相定子绕组相连的功率变换单元开关管；在c相定子绕组正向导通时，直通信号注入与c相定子绕组相连的功率变换单元开关管；其余情况直通信号作用于与中性线相连的功率变换单元开关管。
35.本发明的实质性特点为：
36.本发明提出了一种基于准z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统。在模块化变换器的前端级联了一个准z源电路构成了一个基于准z源的模块化变换器。模块化变换器可为准z源电路提供直通路径，母线电压可得到提高，可加快励磁和退磁过程。准z源模块化变换器可实现四种运行模式，即直通模式、非直通励磁模式、非直通零电压续流模式、非直通退磁模式；因为直通模式的存在，通过改变准z源模块化变换器的直通占空比即可调节母线电压，直流母线电压变化范围得到大幅扩展，进而可实现电机宽范围调速。准z源模块化变换器中电源与准z源电感串联，通过电感的滤波作用，输出电源电流连续且纹波较小。模块化变换器的开关磁阻电机系统中开关磁阻电机定子绕组星形连接，使得相定子绕组电流为双极性电流。
37.本发明的有益效果为：
38.本发明提出的一种基于准z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统，其中，准z源模块化变换器与模块化功率变换器相比，既保留了模块化变换器集成度高，应用范围广的优势，又通过级联的前端准z源电路，提高了母线电压，加快了励磁和退磁过程，在减小转矩脉动的同时可增大导通角以提高输出平均转矩。前端准z源电路避免了全桥模块因电磁干扰而造成的桥臂直通问题，较模块化变换器，系统抗干扰能力更强、可靠性更高。通过准z源的直流调压作用可大幅提高直流链路电压变化范围，可实现电机宽范围调速，同时可调的母线电压可以实现较高的直流电压利用率，根据开关磁阻电机的运行速度和负载水平调节直流母线电压，电机效率得到提高。由于准z源单元中电感的滤波作用，通过选择合适的电感电容参数可使输出电源电流连续且纹波低于20％，相比于传统变换器中输出电源电流断续且纹波较大，本发明所提变换器可显著增加储能源(电池，燃料电池等供电电源)的使用寿命，这对于电动汽车具有重要意义。
附图说明
39.图1为基于准z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统图。
40.图2为新型的准z源模块化变换器电路拓扑图。
41.图3为准z源等效电路图，其中，图3(a)为前端准z源电路直通状态的等效电路图，图3(b)为前端准z源电路非直通状态的等效电路图。
42.图4为输入电源电流的仿真波形。
43.图5为准z源模块化变换器运行模式等效电路图，其中，图5(a)为准z源模块化变换器直通模式等效电路示意图，图5(b)为准z源模块化变换器非直通励磁模式等效电路示意
图，图5(c)为准z源模块化变换器非直通零电压续流模式等效电路示意图，图5(d)为准z源模块化变换器非直通退磁模式等效电路示意图。
44.图6为a、c两相定子绕组串联导通时的电流回路图，其中，图6(a)为a、c两相定子绕组串联的非直通励磁模式电流回路图，a相电流为正，c相电流为负。图6(b)a、c两相定子绕组串联的直通模式电流回路图，a相电流为正，c相电流为负。图6(c)为a、c两相定子绕组串联的非直通励磁模式电流回路图，a相电流为负，c相电流为正。图6(d)为a、c两相定子绕组串联的直通模式电流回路图，a相电流为负，c相电流为正。
45.图7为a相定子绕组单独导通时的电流回路图，其中，图7(a)为a相定子绕组的非直通励磁模式电流回路图，a相电流为正。图7(b)为a相定子绕组的直通模式电流回路图，a相电流为正。图7(c)为a相定子绕组的非直通励磁模式电流回路图，a相电流为负。图7(d)为a相定子绕组的直通模式电流回路图，a相电流为负。
46.图8为a、b两相定子绕组串联导通时的电流回路图，其中，图8(a)为a、b两相定子绕组串联的非直通励磁模式电流回路图，a相电流为正，b相电流为负。图8(b)a、b两相定子绕组串联的直通模式电流回路图，a相电流为正，b相电流为负。图8(c)为a、b两相定子绕组串联的非直通励磁模式电流回路图，a相电流为负，b相电流为正。图8(d)为a、b两相定子绕组串联的直通模式电流回路图，a相电流为负，b相电流为正。
47.图9为b相定子绕组单独导通时的电流回路图，其中，图9(a)为b相定子绕组的非直通励磁模式电流回路图，b相电流为负。图9(b)为a相定子绕组的直通模式电流回路图，b相电流为负。图9(c)为b相定子绕组的非直通励磁模式电流回路图，b相电流为正。图9(d)为b相定子绕组的直通模式电流回路图，b相电流为正。
48.图10为b、c两相定子绕组串联导通时的电流回路图，图10(a)为b、c两相定子绕组串联的非直通励磁模式电流回路图，b相电流为负,c相电流为正。图10(b)b、c两相定子绕组串联的直通模式电流回路图，b相电流为负,c相电流为正。图10(c)为b、c两相定子绕组串联的非直通励磁模式电流回路图，b相电流为正,c相电流为负。图10(d)为a、b两相定子绕组串联的直通模式电流回路图，b相电流为正,c相电流为负。
49.图11为c相定子绕组单独导通时的电流回路图，其中，图11(a)为c相定子绕组的非直通励磁模式电流回路图，c相电流为正。图11(b)为c相定子绕组的直通模式电流回路图，c相电流为正。图11(c)为c相定子绕组的非直通励磁模式电流回路图，c相电流为负。图11(d)为c相定子绕组的直通模式电流回路图，c相电流为负。
50.图12为准z源模块化变换器全周期导通逻辑、直通信号注入路径及相电流示意图。
具体实施方式
51.为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式，对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。
52.本发明所述的基于准z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统如图1所示，包括三相开关磁阻电机、准z源模块化变换器、位置传感器、定子绕组电流传感器、输出电源电流传感器、母线电压传感器以及为准z源模块化变换器提供驱动信号的控制器；
53.其中，控制器分别和准z源模块化变换器、位置传感器、定子绕组电流传感器、输出电源电流传感器、母线电压传感器相连；准z源模块化变换器分别与三相开关磁阻电机、输
出电源电流传感器、母线电压传感器以及直流电源相连；三相开关磁阻电机分别与位置传感器和定子绕组电流传感器相连。
54.其中，定子绕组电流传感器和位置传感器分别用来检测开关磁阻电机定子绕组电流和电机转子位置。输出电源电流传感器和母线电压传感器分别用来检测准z源模块化变换器的输出电源电流和直流母线电压v
dc
。控制器根据转子位置、定子绕组电流、输出电源电流和母线电压生成开关管的控制信号以控制准z源模块化变换器。
55.所述的开关磁阻电机相定子绕组为星形连接且引出中线，即三相定子绕组的一端连接于一公共端n。
56.如图2所示，所述的准z源模块化变换器由一个前端准z源电路和四组并联的功率变换单元组成，四组功率变换单元之间连接三相开关磁阻电机的相定子绕组，用于为开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁；
57.其中，所述的前端准z源电路包括带反并联二极管(d
z
)的开关管s
z
，第一电容器c1，第二电容器c2，第一电感器l1，第二电感器l2；其中，第一电感器l1的一端与直流电源v
in
正极相连，第一电感器l1的另一端与开关管s
z
的一端、第一电容器c1的负极以及反并联二极管d
z
的阳极相连，反并联二极管d
z
的阴极(第一开关管的另一端)与第二电容器c2的正极以及第二电感器l2的一端相连，第二电容器c2的负极与直流电源v
in
负极相连，第一电容器c1的正极和第二电感器l2的另—端相连。
58.所述的第一电容器c1的正极与第二电容器c2的负极之间的电压即为直流母线电压v
dc
，开关管的控制极接收控制器提供的信号。
59.所述的四组并联的功率变换单元中，每个功率变换单元包含两个串联的带反并联二极管的开关管，即第一组功率变换单元包含两个带反并联二极管的开关管s1，s2；第二组功率变换单元包含两个带反并联二极管的开关管s3，s4；第三组功率变换单元包含两个带反并联二极管的开关管s5，s6；第四组功率变换单元包含两个带反并联二极管的开关管s7，s8。
60.其中，四组功率变换单元的上开关管(s1，s3，s5，s7)的一端与第一电容器c1的正极相连，前三组功率变换单元上开关管(s1，s3，s5)的另一端、前三组功率变换单元下开关管(s2，s4，s6)的一端均与三相定子绕组a、b、c的非公共端相连，三个公共端同时相连，四组功率变换单元的下开关管(s2，s4，s6，s8)的另一端与第二电容器c2的负极相连；第四组功率变换单元的上开关管s7的另一端与下开关管s8的一端以及所有相定子绕组的公共端n相连。
61.所述的所有带反并联二极管的开关管均采用带反并联快速恢复二极管的coolmos管或igbt。
62.在新型电路拓扑中，准z源单元用来提升直流母线电压以实现快速励磁与退磁，同时扩展电机的调速范围，准z源升压的原理如图3所示。为了避免异常操作条件并允许准z源变换器在负载波动较大的条件下工作，故在准z源二极管d
z
上增加一个反并联开关s
z
，开关管s
z
的控制信号为直通信号取反。当前端准z源单元工作在直通状态时，其电路如图3(a)所示，此时二极管d
z
被迫关断，sz关断，直流电源v
in
和电容c1共同向电感l1充能，电容c2向电感l2充能，此时有：
[0063][0064]
当前端准z源单元处于非直通状态时，其等效电路如图3(b)所示，此时二极管d
z
导
通，sz导通，电源和电感l1共同为电容c2充电，且同时为负载供电，电感l2为电容c1充电，可以得到：
[0065][0066][0067]
其中t为开关周期，t0为直通时间，t1为非直通时间，d为直通占空比,v
dc
为直流母线电压。
[0068]
当到达稳态时，根据伏秒平衡原理，电感两端的正伏秒值等于负伏秒值，即在直通时电感两端电压乘以直通时间等于非直通时电感两端电压乘以工作时间，因此可以得到：
[0069][0070]
直流母线电压峰值为：
[0071][0072]
其中为稳态时电感l1和l2两端的平均电压，b表示升压因子。
[0073]
所提新变换器拓扑利用前端准z源单元将传统全桥的直通状态变为正常工作状态，通过控制直通占空比，实现了直流输入电压到直流母线电压的单级升压功能。
[0074]
正是由于准z源网络的存在，才使得准z源模块化变换器具有了一些传统变换器所没有的新特性，因此对准z源网络的参数设计至关重要，它将直接影响到变换器工作时的性能。为了保证变换器的工作性能，要求电感电流纹波低于20％。考虑到电流纹波的要求并结合开关磁阻电机独特的退磁模式性质，可得到如下的参数设计公式：
[0075][0076][0077]
其中i
l
是电感电流；l
max
为最大相电感，i
a
是a相定子绕组电流，a为电压纹波系数；f
s
是开关频率；b是电流纹波系数。
[0078]
实施例1
[0079]
用一台1kw的三相12/8极开关磁阻电机为例进行仿真验证。电机参数如下：
[0080]
表ⅰ电机参数
[0081][0082]
其中电感根据式(6)选择2mh电感，l1＝l2＝2mh。电容根据式(7)选择470uf电容,c1＝c2＝470uf。在额定转速3000r/min,额定转矩3n
·
m的负载情况下，输入电源电流的仿真波形如图4所示，输入电流约15a，电流纹波约为2.3a,输入电源电流纹波约为15.3％，小于20％。
[0083]
在模块化功率变换器的开关磁阻电机驱动系统中，一个相电流周期内，每一相定子绕组都存在三个电流工作模式：1)励磁模式；2)零电压续流模式；3)退磁模式。
[0084]
本发明由于级联了前端准z源电路，准z源变换器出现了直通状态，即一个功率变换单元中上下两个开关管同时导通。相定子绕组的三种工作模式即励磁，零电压续流，退磁模式若出现直通状态，此时相定子绕组电流的工作模式会发生变化。将变为四种电流工作模式：1)直通模式；2)非直通励磁模式；4)非直通零电压续流模式；4)非直通退磁模式。直通开关频率可选20khz,由于直通开关频率远大于模块化变换器的开关频率，故在一个直通周期内，相电流认为是不变的，可看作一个恒流源。同时，由于电容存在等效串联电阻，电感存在寄生电阻，则准z源变换器运行状态等效电路示意图如图5所示。图5(a)为直通模式，其中反并联二极管d
z
关断，sz关断，模块化变换器的一组功率变换单元两个开关管同时导通，定子绕组进行续流；图5(b)为非直通励磁模式，其中反并联二极管d
z
正向导通，sz开通，后端模块化变换器一组功率变换单元的一个上开关管和另一组功率变换单元的一个下开关管导通，定子绕组进行励磁；图5(c)为非直通零电压续流模式，其中反并联二极管d
z
正向导通，sz开通，后端模块化变换器只存在一个开关管导通，定子绕组进行续流；图5(d)为非直通退磁模式，其中反并联二极管d
z
正向导通，sz开通，后端模块化变换器所有开关管都关断，定子绕组通过反并联二极管进行退磁。当在非直通零电压续流状态下注入直通信号，系统运行状态将由图5(c)变为图5(a)，开关磁阻电机的动态响应性能不变。当在非直通励磁、退磁状态下注入直通信号，系统运行状态将分别由图5(b)、(d)被动的变为图5(a)，即当直通状态出现在相定子绕组励磁模式或退磁模式时，相定子绕组都将变为续流模式。
[0085]
当变换器注入直通信号时，一组功率变换单元的上下开关管同时导通，即开关管(s1，s2)、(s3，s4)、(s5，s6)、(s7，s8)中的一组开关管开通；准z源二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，无论其余三组功率变换单元开关管处于什么状态，此时系统处于直通模式。
[0086]
当变换器未注入直通信号时，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，后端模块化变换器一组功率变换单元的一个上开关管(s1、s3、s5或s7)和另一组功率变换单元的一个下开关管(s2、s4、s6或s8)导通，此时系统处于非直通励磁模式。
[0087]
当变换器未注入直通信号时，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，后端模块化变换器只存在一个开关管导通，即开关管s1、s2、s3、s4、s5、s6、s7、s8中任一开关管开通，此时系统处于非直通零电压续流模式。
[0088]
当变换器未注入直通信号时，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，后端模块化变换器所有开关管都关断，此时系统处于非直通退磁模式。
[0089]
以上述仿真所用三相12/8极开关磁阻电机为例进行运行原理的详细说明。由于准z源的升压作用可加速励磁退磁过程，故可增大导通角以提高输出转矩，开通角θ
on
＝0
°
，关断角θ
off
＝20
°
。以90
°
为一个电周期，定义a相的导通位置为0
°
。各相励磁顺序为ca
→
a
→
ab
→
b
→
bc
→
c
→
ca
→
a
→
ab
→
b
→
bc
→
c
→
ca。定义各相电流流入n点为正方向，转子位置角为θ。
[0090]
当0
°
≤θ<5
°
时，a相、c相导通，s1、s6同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，此时a、c两相绕组串联励磁，系统处于非直通励磁模式，电流流通路径如图6(a)所示；此时给a相定子绕组所连功率变换单元的两个开关管s1,s2注入直通信号，当s1,s2开通时，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a、c两相绕组串联续流，系统处于直通模式，电流流通路径如图6(b)所示。
[0091]
当5
°
≤θ<15
°
时，c相关断，a相导通，s1、s8同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，此时a相绕组单独励磁，c相绕组退磁，系统处于非直通励磁模式，电流流通路径如图7(a)所示；此时给a相定子绕组所连功率变换单元的两个开关管s1,s2注入直通信号，当s1,s2开通时，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a相绕组续流，系统处于直通模式电流流通路径如图7(b)所示。
[0092]
当15
°
≤θ<20
°
时，a相、b相导通，s1、s4同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，此时a、b两相绕组串联磁，系统处于非直通励磁模式，电流流通路径如图8(a)所示；此时给a相定子绕组所连功率变换单元的两个开关管s1,s2注入直通信号，当s1,s2开通时，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a、b两相绕组串联续流，系统处于直通模式，电流流通路径如图8(b)所示。
[0093]
当20
°
≤θ<30
°
时，a相关断，b相导通，s7、s4同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，此时b相绕组单独励磁，a相绕组退磁，系统处于非直通励磁模式，电流流通路径如图9(a)所示；此时给中线所连功率变换单元的两个开关管s7,s8注入直通信号，当s7,s8开通时，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时b相绕组续流，系统处于直通模式，电流流通路径如图9(b)所示。
[0094]
当30
°
≤θ<35
°
时，b相、c相导通，s5、s4同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，此时b、c两相绕组串联励磁，系统处于非直通励磁模式，电流流通路径如图10
(a)所示；此时给c相定子绕组所连功率变换单元的两个开关管s5,s6注入直通信号，当s5,s6开通时，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时c、b两相绕组串联续流，系统处于直通模式，电流流通路径如图10(b)所示。
[0095]
当35
°
≤θ<45
°
时，b相关断，c相导通，s5、s8同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，此时c相绕组单独励磁，b相绕组退磁，系统处于非直通励磁模式，电流流通路径如图11(a)所示；此时给c相定子绕组所连功率变换单元的两个开关管s5,s6注入直通信号，当s5,s6开通时，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时c相绕组续流，系统处于直通模式，电流流通路径如图11(b)所示。
[0096]
当45
°
≤θ<50
°
时，c相、a相导通，s5、s2同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，此时a、c两相绕组串联励磁，系统处于非直通励磁模式，电流流通路径如图6(c)所示；此时给c相定子绕组所连功率变换单元的两个开关管s5,s6注入直通信号，当s5,s6开通时，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a、c两相绕组串联续流，系统处于直通模式，电流流通路径如图6(d)所示。
[0097]
当50
°
≤θ<60
°
时，c相关断，a相导通，s7、s2同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，此时a相绕组单独励磁，c相绕组退磁，系统处于非直通励磁模式，电流流通路径如图7(c)所示；此时给中线所连功率变换单元的两个开关管s7,s8注入直通信号，当s7,s8开通时，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a相绕组单独续流，系统处于直通模式，电流流通路径如图7(d)所示。
[0098]
当60
°
≤θ<65
°
时，a相、b相导通，s3、s2同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，此时a、b两相绕组串联励磁，系统处于非直通励磁模式，电流流通路径如图8(c)所示；此时给b相定子绕组所连功率变换单元的两个开关管s3,s4注入直通信号，当s3,s4开通时，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时a、b两相绕组串联续流，系统处于直通模式，电流流通路径如图8(d)所示。
[0099]
当65
°
≤θ<75
°
时，a相关断，b相导通，s3、s8同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，此时b相绕组单独励磁，a相绕组退磁，系统处于非直通励磁模式，电流流通路径如图9(c)所示；此时给b相定子绕组所连功率变换单元的两个开关管s3,s4注入直通信号，当s3,s4开通时，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时b相绕组单独续流，系统处于直通模式，电流流通路径如图9(d)所示。
[0100]
当75
°
≤θ<80
°
时，导b相、c相导通，s3、s6同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，此时c、b两相绕组串联励磁，系统处于非直通励磁模式，电流流通路径如图10(c)所示；此时给b相定子绕组所连功率变换单元的两个开关管s3,s4注入直通信号，当s3,s4开通时，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时c、b两相绕组串联续流，系统处于直通模式，电流流通路径如图10(d)所示。
[0101]
当80
°
≤θ<90
°
时，b相关断，c相导通，s7、s6同时导通，准z源二极管d
z
正向导通，准z源开关管s
z
开通，此时c相绕组单独励磁，b相绕组退磁，系统处于非直通励磁模式，电流流通路径如图11(c)所示；此时给中线所连功率变换单元的两个开关管s7,s8注入直通信号，当s7,s8开通时，二极管d
z
承受反压而截止，准z源开关管s
z
关断，此时c相绕组单独续流，系统处于直通模式，电流流通路径如图11(d)所示。
[0102]
本发明所述基于准z源模块化变换器的三相开关磁阻电机系统全周期导通逻辑和
相定子绕组电流如图12所示。
[0103]
该变换器由标准的开关模块组成，故任意功率变换单元均可实现直通，为使开关器件均衡发热，以提高开关器件寿命，直通信号均匀分配到四个功率变换单元上，如图12所示。在a相定子绕组正向导通时，直通信号注入与a相定子绕组相连的功率变换单元开关管s1,s2。在b相定子绕组正向导通时，直通信号注入与b相定子绕组相连的功率变换单元开关管s3,s4。在c相定子绕组正向导通时，直通信号注入与c相定子绕组相连的功率变换单元开关管s5,s6。其余情况直通信号作用于与中性线相连的功率变换单元开关管s7,s8。直通信号注入的功率变换单元的均匀分配，可使开关器件均匀发热。
[0104]
本发明未尽事宜为公知技术。