專利名稱：電壓鉗位與能量恢復(fù)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電壓鉗位與能量恢復(fù)電路，尤其涉及在電子轉(zhuǎn)換電 路的輸出半導(dǎo)體開關(guān)器件全部通過門控來進(jìn)行轉(zhuǎn)換的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換處理 期間，對在開關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)(緩沖器)中另外以發(fā)熱形式消耗的能量進(jìn) 行恢復(fù)的電路。
背景技術(shù)：
英國專利申請2433360公開了一種用于電機(jī)定子繞組的電子轉(zhuǎn) 換電路。定子繞組包括多個(gè)通過相同數(shù)量的公共耦合點(diǎn)鏈接的線圈。 電子轉(zhuǎn)換電路包括相同數(shù)量的開關(guān)級，每個(gè)開關(guān)級連接在各自的一個(gè) 公共耦合點(diǎn)與第一直流線路和第二直線線路之間。每個(gè)開關(guān)級包括能 通過門控導(dǎo)通和關(guān)斷的第一逆阻半導(dǎo)體功率器件，其陽極連接到第一 直流線路，還包括能通過門控導(dǎo)通和關(guān)斷的第二逆阻半導(dǎo)體功率器 件，其陰極連接到第二直流線路。
半導(dǎo)體功率器件的優(yōu)選類型是逆阻門極關(guān)斷晶閘管(RB-GTO)
或者RB-GTO衍生物，這是因?yàn)橛捎谄鋬?nèi)部再生特性，這些逆阻門 極關(guān)斷晶閘管相比諸如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)之類的其他門極 轉(zhuǎn)換器件系列具有較小的導(dǎo)通狀態(tài)損耗。
逆阻半導(dǎo)體功率器件被用來替代傳統(tǒng)晶閘管，這意味著電子轉(zhuǎn) 換電路可以強(qiáng)制進(jìn)行電流的轉(zhuǎn)換，而不考慮定子繞組的電壓。
電子轉(zhuǎn)換電路還可以包括與每個(gè)半導(dǎo)體功率器件并行連接的開 關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)(緩沖器)。緩沖器可以是串聯(lián)連接的電阻電容或者可以 如英國專利申請2433360的附圖所示根據(jù)公知工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)"RCD Polarised Snubber"來配置。任一類型的緩沖器的目的有助于強(qiáng)制的 轉(zhuǎn)換處理并且減小功率半導(dǎo)體器件中的開關(guān)損耗。然而，在強(qiáng)制轉(zhuǎn)換 處理期間對輸出RB-GTO進(jìn)行開關(guān)操作時(shí)緩沖器內(nèi)部的能量損耗代表了可觀的能量損耗并且降低了電子轉(zhuǎn)換電路的整體效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種對將在開關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)(緩沖器)中被另外消 耗的能量進(jìn)行恢復(fù)并且將其返回到電子系統(tǒng)的另一部分或者將其消 耗在能更容易控制熱量的其他地方的方法。更具體地說，本發(fā)明提供 了一種用于電機(jī)的定子繞組的電路，定子繞組包括多個(gè)通過相同數(shù)量 的公共耦合點(diǎn)鏈接的線圈，該電路包括
電子轉(zhuǎn)換電路，其具有相同數(shù)量的開關(guān)級，每個(gè)開關(guān)級連接在 各自的一個(gè)公共耦合點(diǎn)與第一主要直流線路和第二主要直流線路之 間，并且每個(gè)開關(guān)級包括
第一逆阻半導(dǎo)體功率器件，其能夠通過門控導(dǎo)通和關(guān)斷， 其陰極連接到第一主要直流線路；和
第二逆阻半導(dǎo)體功率器件，其能夠通過門控導(dǎo)通和關(guān)斷， 其陽極連接到第二主要直流線路；并且該電路還包括-電壓鉗位電路，其包括
相同數(shù)量的鉗位級，每個(gè)鉗位級都連接在各自的一個(gè)公共 耦合點(diǎn)與第一輔助直流線路和第二輔助直流線路之間，每個(gè)鉗位 級包括其陰極連接到第一輔助直流線路的第一二極管和其陽極 連接到第二輔助直流線路的第二二極管；
第一電容器，其連接在第一主要直流線路和第一輔助直流
線路之間；和
第二電容器，其連接在第二主要直流線路和第二輔助直流 線路之間；并且該電路還包括
用于選擇性地使得第一電容器和第二電容器放電的裝置。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，電壓鉗位電路的第一電容器和第二電容器 被所有的單個(gè)鉗位級共用。鉗位級的二極管有效地取代了傳統(tǒng)電子轉(zhuǎn)
換電路中的開關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)和緩沖元件。因此，本發(fā)明的電壓鉗位與能 量恢復(fù)電路具有相對少的電氣元件，這意味著較低的硬件成本和改進(jìn) 的可靠性。第一電容器和第二電容器可以有選擇地(優(yōu)選地，通過基本上 無損耗的放電路徑)對與電機(jī)相關(guān)的電子系統(tǒng)的任何適合部分或者系 統(tǒng)的另一部分放電。優(yōu)選地，可選擇性地使得第一電容器和第二電容 器進(jìn)行放電的裝置是用于對存儲在第一電容器和第二電容器中的能 量進(jìn)行恢復(fù)的能量恢復(fù)電路。優(yōu)選地，能量恢復(fù)電路通常包括直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置，用于有選擇地使得第一電容器對第一主要直流線路 和第二主要直流線路中的一條線路放電，并且有選擇地使得第二電容 器對第一主要直流線路和第二主要直流線路中的另一條線路放電。例 如，布置在第一主要直流線路和第一輔助直流線路之間的第一電容器 可以根據(jù)直流電壓極性有選擇地對第一主要直流線路或第二主要直 流線路放電。
電壓鉗位電路還可以包括連接在第一輔助直流線路和第二輔助 直流線路之間的第三電容器。
電壓鉗位電路還可以包括連接在第一主要直流線路和第一輔助 直流線路之間的多個(gè)第一電容器以及連接在第二主要直流線路和第 二輔助直流線路之間的多個(gè)第二電容器。
該電路通常包括第一直流端和第二直流端，第一直流端連接到 第一主要直流線路，而第二直流端連接到第二主要直流線路。在電機(jī) 可以用于發(fā)電模式的情況下，優(yōu)選地，該電路包括連接在第一直流端 和第二直流端之間的串聯(lián)連接的晶閘管和電阻器。
在第一種布置中，直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置可以包括串聯(lián)連接在第 一輔助直流線路和第二主要直流線路之間的第一半導(dǎo)體功率器件和 第一電感器；串聯(lián)連接在第二輔助直流線路和第一主要直流線路之間 的第二半導(dǎo)體功率器件和第二電感器；以及第三半導(dǎo)體功率器件，其
陰極連接到第一半導(dǎo)體功率器件和第一電感器之間的結(jié)點(diǎn)，其陽極連 接到第二半導(dǎo)體功率器件和第二電感器之間的結(jié)點(diǎn)。直流-直流轉(zhuǎn)換
器裝置的第一半導(dǎo)體功率器件的陽極優(yōu)選地連接到第一輔助直流線 路，而直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的第二半導(dǎo)體功率器件的陰極優(yōu)選地連 接到第二輔助直流線路。
在第二種布置中，直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置可以包括串聯(lián)連接在第一輔助直流線路和第一主要直流線路之間的第一半導(dǎo)體功率器件和 第一電感器；串聯(lián)連接在第二輔助直流線路和第二主要直流線路之間
的第二半導(dǎo)體功率器件和第二電感器；以及第三半導(dǎo)體功率器件，其
陰極連接到第一半導(dǎo)體功率器件和第一電感器之間的結(jié)點(diǎn)，而其陽極 連接到第二半導(dǎo)體功率器件和第二電感器之間的結(jié)點(diǎn)。直流-直流轉(zhuǎn)
換器裝置的第一半導(dǎo)體功率器件的陽極優(yōu)選地連接到第一輔助直流 線路，而直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的第二半導(dǎo)體功率器件的陰極優(yōu)選地 連接到第二輔助直流線路。
直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的第一布置和第二布置的第三半導(dǎo)體功 率器件根據(jù)電機(jī)想要工作的模式可以是二極管或者晶閘管。例如，如 果電機(jī)被設(shè)計(jì)成僅工作在電動模式，則第三半導(dǎo)體功率器件通常是二 極管并且不需要門控信號。然而，如果電機(jī)還將工作在發(fā)電模式(即 時(shí)只有很短時(shí)間)，則第三半導(dǎo)體功率器件通常是晶閘管并且需要門 控信號。
在第三種布置中(電機(jī)被設(shè)計(jì)成工作在電動和發(fā)電兩種模式下 操作的情況)，直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置可以包括連接到第二主要直流 線路的第一電感器、連接到第一主要直流線路的第二電感器、連接在 第一輔助直流線路和第一電感器之間的第一半導(dǎo)體功率器件、連接在 第二輔助直流線路和第二電感器之間的第二半導(dǎo)體功率器件、連接在 第一輔助直流線路和第二電感器之間的第三半導(dǎo)體功率器件、連接在 第二輔助直流線路和第一電感器之間的第四半導(dǎo)體功率器件、其陰極 連接到第一半導(dǎo)體功率器件和第一電感器之間的結(jié)點(diǎn)而其陽極連接 到第二半導(dǎo)體功率器件和第二電感器之間的結(jié)點(diǎn)的第五半導(dǎo)體功率 器件、以及其陰極連接到第二半導(dǎo)體功率器件和第二電感器之間的結(jié)
點(diǎn)而其陽極連接到第四半導(dǎo)體功率器件和第一電感器之間的結(jié)點(diǎn)的 第六半導(dǎo)體功率器件。直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的第一半導(dǎo)體功率器件
和第三半導(dǎo)體功率器件的陽極優(yōu)選地連接到第一輔助直流線路，而直 流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的第二半導(dǎo)體功率器件和第四半導(dǎo)體功率器件的 陰極優(yōu)選地連接到第二輔助直流線路。直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的第五 半導(dǎo)體功率器件和第六半導(dǎo)體功率器件優(yōu)選是晶閘管。如果能量恢復(fù)電路的直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置是諧振式直流-直流 轉(zhuǎn)換器裝置，則在有些情況下會很有優(yōu)勢。在第四種(諧振式)布置 中，直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置可以包括串聯(lián)連接在第一輔助直流線路和
第二主要直流線路之間的第一電感器和第一電容器；串聯(lián)連接在第二
輔助直流線路和第一主要直流線路之間的第二電感器和第二電容器、 串聯(lián)連接在第一輔助直流線路和第一電感器同第一電容器間結(jié)點(diǎn)之 間的第一半導(dǎo)體功率器件和第三電感器，以使得第一半導(dǎo)體功率器件
和第三電感器與第一電容器并聯(lián)連接；串聯(lián)連接在第二輔助直流線路 和第二電感器同與第二電容器間結(jié)點(diǎn)之間的第二半導(dǎo)體功率器件和
第四電感器，以使得第二半導(dǎo)體功率器件和第四電感器與第二電容器 并聯(lián)連接；以及其陰極連接到第一電感器和第一電容器之間的結(jié)點(diǎn)而
其陽極連接到第二電感器和第二電容器之間的結(jié)點(diǎn)的第三半導(dǎo)體功 率器件。
在直流-直流轉(zhuǎn)換器的第四種布置中
可將第一半導(dǎo)體功率器件的陽極連接到第三電感器，而將第 一半導(dǎo)體功率器件的陰極連接到第一電感器和第一電容器之間的結(jié) 點(diǎn)；或者
可將第二半導(dǎo)體功率器件的陰極連接到第二輔助直流線路，
而將第二半導(dǎo)體功率器件的陽極連接到第四電感器；以及
可將第一半導(dǎo)體功率器件的陽極連接到第一輔助直流線路， 而將第一半導(dǎo)體功率器件的陰極連接到第三電感器；或者
可將第二半導(dǎo)體功率器件的陰極連接到第四電感器，而將第 二半導(dǎo)體功率器件的陽極連接到第二電感器和第二電容器之間的結(jié)點(diǎn)。
在第五種布置中，能量恢復(fù)電路可以包括第一直流-直流轉(zhuǎn)換器 裝置，其用于使得第一電容器選擇性地對第一主要直流線路和第二主 要直流線路中的一條線路放電，還包括第二直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置， 其用于使得第二電容器選擇性地對第一主要直流線路和第二主要直 流線路中的另一條線路放電。第一直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置可以包括串 聯(lián)連接在第一輔助直流線路和第二主要直流線路之間的第一半導(dǎo)體功率器件和第一電感器，以及其陰極連接到第一半導(dǎo)體功率器件和第 一電感器之間的結(jié)點(diǎn)而其陽極連接到第二主要直流線路的第二半導(dǎo) 體功率器件。類似地，第二直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置可以包括串聯(lián)連接 在第二輔助直流線路和第一主要直流線路之間的第一半導(dǎo)體功率器 件和第一電感器，以及其陽極連接到第一半導(dǎo)體功率器件和第一電感 器之間的結(jié)點(diǎn)而其陰極連接到第一主要直流線路的第二半導(dǎo)體功率 器件。在這兩種情況下，根據(jù)電機(jī)是否被設(shè)計(jì)成僅工作在電動模式， 第二半導(dǎo)體功率器件可以是二極管或者晶閘管。
實(shí)際上，容易理解的是，可以使用任何適合的直流-直流轉(zhuǎn)換器 裝置(諧振式和非諧振式)，并且本發(fā)明并非限定為上述特定布置。
如果情況合適的話，可以根據(jù)例如脈寬調(diào)制(PWM)策略或者 脈沖周期調(diào)制(PPM)策略來控制半導(dǎo)體功率器件。
本發(fā)明還提供了一種電機(jī)，包括移動部分、定子、具有多個(gè)由 相同數(shù)量的公共耦合點(diǎn)而鏈接的線圈的定子繞組、以及上述電路，其 中電子轉(zhuǎn)換電路的每個(gè)開關(guān)級連接在各自的一個(gè)公共耦合點(diǎn)與第一 主要直流線路和第二主要直流線路之間，而電壓鉗位電路的每個(gè)鉗位 級連接在各自的一個(gè)公共耦合點(diǎn)與第一輔助直流線路和第二輔助直 流線路之間。
電機(jī)可以是任何合適類型的旋轉(zhuǎn)或者直線電機(jī)。旋轉(zhuǎn)或者直線 電機(jī)可以由任何適合的裝置激勵，而激勵的類型不會影響能量恢復(fù)電 路的基本操作原理和益處。因此，該電路可用于具有集電環(huán)或者無刷 磁場系統(tǒng)的同步電機(jī)，具有傳統(tǒng)或者高溫超導(dǎo)或低溫超導(dǎo)磁場繞組的 同步電機(jī)，具有沿徑向、軸向和橫向磁通定向并采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、反結(jié)
構(gòu)(inside-out)和雙面結(jié)構(gòu)的永磁轉(zhuǎn)子的同步電機(jī)。該電路還可用 于感應(yīng)式電機(jī)。直線電機(jī)可用于本質(zhì)上通過往復(fù)運(yùn)動獲得能量的應(yīng) 用，例如波能發(fā)電機(jī)。
旋轉(zhuǎn)或者直線電機(jī)可被設(shè)計(jì)成工作在電動模式和/或發(fā)電模式。 在旋轉(zhuǎn)電機(jī)情況下，移動部分通常被稱為轉(zhuǎn)子，而在直線電機(jī) 的情況下，移動部分通常被稱為變換器。盡管通常使用轉(zhuǎn)子或定子的 旋轉(zhuǎn)電機(jī)術(shù)語來描寫專利申請，但是容易理解的是，本發(fā)明的電路同樣適于用于不同術(shù)語的其他類型的電機(jī)。
第一輔助直流線路和第二輔助直流線路之間的電壓對于電機(jī)的 所有操作狀態(tài)來說基本上可以是恒定的，或者可以根據(jù)電機(jī)的操作狀 態(tài)進(jìn)行變化。
本發(fā)明還提供了一種從用于電機(jī)定子繞組的電子轉(zhuǎn)換電路中恢 復(fù)能量的方法，該定子繞組具有多個(gè)通過相同數(shù)量的公共耦合點(diǎn)而鏈 接的線圈，電子轉(zhuǎn)換電路具有相同數(shù)量的開關(guān)級，每個(gè)開關(guān)級連接在 各自的一個(gè)公共耦合點(diǎn)與第一主要直流線路和第二主要直流線路之 間，并且每個(gè)開關(guān)級包括
第一逆阻半導(dǎo)體功率器件，其能夠通過門控導(dǎo)通和關(guān)斷，其陰 極連接到第一主要直流線路；和
第二逆阻半導(dǎo)體功率器件，其能夠通過門控導(dǎo)通和關(guān)斷，其陽 極連接到第二主要直流線路；
該方法包括步驟
當(dāng)開關(guān)級的第一逆阻半導(dǎo)體功率器件或者第二逆阻半導(dǎo)體功率 器件之一通過門控被關(guān)斷時(shí)，利用流經(jīng)所述第一逆阻半導(dǎo)體功率器件 或者第二逆阻半導(dǎo)體功率器件之一的電流來給電容器充電；以及
使電容器選擇性地放電。
優(yōu)選地，由用于對存儲在電容器中的能量進(jìn)行恢復(fù)的能量恢復(fù) 電路來使電容器選擇性地放電。優(yōu)選地，能量恢復(fù)電路通常包括直流 -直流轉(zhuǎn)換器裝置，可以如上對其進(jìn)行配置。例如，直流-直流轉(zhuǎn)換器 裝置可以是諧振式直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置或者是根據(jù)電機(jī)想要的操作 模式而專用的。
例如，電容器可以有選擇地對第一主要直流線路和第二主要直 流線路中的一條線路或者對系統(tǒng)的另一部分進(jìn)行放電。
本方法還可以包括對電容器上的電壓進(jìn)行監(jiān)測以確定有關(guān)電機(jī) 的運(yùn)行特征的信息的步驟。


圖1是示出了沒有直流-直流轉(zhuǎn)換器的根據(jù)本發(fā)明的電壓鉗位與能量恢復(fù)電路的簡化版的原理圖2是示出了具有一種直流-直流轉(zhuǎn)換器的第一電壓鉗位與能量 恢復(fù)電路的原理圖，這種直流-直流轉(zhuǎn)換器特別適合于僅工作在電動 模式的電機(jī)；
圖3A-圖3C是示出了用于電動應(yīng)用的轉(zhuǎn)換、電壓鉗位與能量恢 復(fù)處理的原理圖4是示出了具有一種直流-直流轉(zhuǎn)換器的第二電壓鉗位與能量
恢復(fù)電路的原理圖，這種直流-直流轉(zhuǎn)換器特別適合于通常工作在電
動模式但是偶爾可能需要工作在發(fā)電模式的電機(jī)；
圖5是示出了具有一種直流-直流轉(zhuǎn)換器的第三電壓鉗位與能量 恢復(fù)電路的原理圖，這種直流-直流轉(zhuǎn)換器特別適合于通常工作在發(fā) 電模式的電機(jī)；
圖6是示出了具有多個(gè)電容器和一種直流-直流轉(zhuǎn)換器的第四電 壓鉗位與能量恢復(fù)電路的原理圖，這種直流-直流轉(zhuǎn)換器特別適合于
通常工作在發(fā)電模式的電機(jī)；
圖7是示出了具有一種直流-直流轉(zhuǎn)換器的第五電壓鉗位與能量
恢復(fù)電路的原理圖，這種直流-直流轉(zhuǎn)換器特別適合于既能工作在電
—動模式也能工作在發(fā)電模式的電機(jī)；
圖8是示出了具有諧振式直流-直流轉(zhuǎn)換器的第六電壓鉗位與能
量恢復(fù)電路的原理圖，該諧振式直流-直流轉(zhuǎn)換器特別適合于通常工
作在電動模式但是偶爾可能需要工作在發(fā)電模式的電機(jī)；
圖9是示出了針對每個(gè)輔助直流線路具有分別的直流-直流轉(zhuǎn)換 器的第七電壓鉗位與能量恢復(fù)電路的原理圖，該直流-直流轉(zhuǎn)換器特 別適合于通常工作在電動模式但是可能偶爾需要工作在發(fā)電模式的 電機(jī)。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子繞組包括八個(gè)串聯(lián)連接的線圈， 而實(shí)際應(yīng)用中可能使用更多的線圈。每個(gè)線圈具有由于電場和電機(jī)轉(zhuǎn)
子(未示出)旋轉(zhuǎn)而在線圈中產(chǎn)生的相同但存在相移的電動勢(EMF)。每對相鄰線圈結(jié)合于公共耦合點(diǎn)。從圖1可以看出，第一線圈 SC1通過第一公共耦合點(diǎn)PCC1連接到第二線圈SC2并且連接到一對
門極關(guān)斷晶閘管(GTO)開關(guān)GTOl和GT02。開關(guān)GTOl的陰極通 過第一主要直流線路DC1連接到第一直流端，GT02的陽極通過第 二主要直流線路DC2連接到第二直流端。第二線圈SC2通過第二公 共耦合點(diǎn)PCC2連接到第三線圈SC3并且連接到一對GTO開關(guān)GT03 和GT04。開關(guān)GT03的陰極通過第一主要直流線路DC1連接到第 一直流端，開關(guān)GT04的陽極通過第二主要直流線路DC2連接到第 二直流端。其余的線圈以對應(yīng)的方式連接到第一主要直流線路DC1 和第二主要直流線路DC2。
每對GTO開關(guān)代表電子轉(zhuǎn)換電路的一個(gè)單個(gè)開關(guān)級。
第一直流端和第二直流端連接到適當(dāng)?shù)闹绷麟娫?未示出)， 諸如晶閘管橋、矩陣轉(zhuǎn)換器、電池或者直流發(fā)電機(jī)。在有些情況下， 由于轉(zhuǎn)換器通常運(yùn)行在恒流模式下，所以將需要如圖2-圖8所示的 直流鏈路電感器LDC。
在圖2中，為了清楚起見省略了定子繞組串聯(lián)連接的線圈，但 是容易理解的是，它們在公共耦合點(diǎn)之間延伸。換言之，第二線圈 SC2在與開關(guān)GTOl和GT02相關(guān)聯(lián)的第一公共耦合點(diǎn)PCC1和與開 關(guān)GT03和GT04相關(guān)聯(lián)的第二公共耦合點(diǎn)PCC2之間延伸。
在電機(jī)運(yùn)行期間，直流電流在圓形陣列中第一點(diǎn)流入定子繞組， 在圓形陣列的第二點(diǎn)流出定子繞組。第二點(diǎn)被布置為近似與第一點(diǎn)相 差180電度。因此繞組電流在第一點(diǎn)分支成兩個(gè)近似相同的路徑，而 在第二點(diǎn)匯合。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，第一點(diǎn)或者第二點(diǎn)的定位必須沿陣列 標(biāo)記為一級。GTO開關(guān)全部通過門控進(jìn)行轉(zhuǎn)換，如英國專利申請 2433360中更詳細(xì)所述，其中流入輸出GTO開關(guān)的電流，被轉(zhuǎn)移到 輸入GTO開關(guān)。
電壓鉗位和能量恢復(fù)電路提供三種附加功能，即(i )在輸出 GTO開關(guān)關(guān)斷(即，傳統(tǒng)開關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)(緩沖器)操作)時(shí)用于流 入該開關(guān)的任意電流的替代路徑；(ii )對輸出GTO開關(guān)關(guān)斷時(shí)可 能產(chǎn)生的電壓進(jìn)行電壓鉗位操作；以及(iii)對通常在傳統(tǒng)緩沖器中被消耗的能量進(jìn)行存儲的有效裝置，使得該能量返回到電氣系統(tǒng)的某 些其他部分。如圖1和2所示，每個(gè)公共耦合點(diǎn)連接到一對二極管。
第一公共耦合點(diǎn)PCC1連接到一對二極管Dl和D2。 二極管Dl的陰 極連接到第一輔助直流線路DC3, 二極管D2的陽極連接到第二輔助 直流線路DC4。第二公共耦合點(diǎn)PCC2連接到一對二極管D3和D4。 二極管D3的陰極連接到第一輔助直流線路DC3， 二極管D4的陽極 連接到第二輔助直流線路DC4。其余公共耦合點(diǎn)以對應(yīng)的方式連接 到第一輔助直流線路DC3和第二輔助直流線路DC4。
每對二極管代表電壓鉗位與能量恢復(fù)電路的一個(gè)單個(gè)鉗位級， 并且取代了與GTO器件相關(guān)的傳統(tǒng)開關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)(緩沖器)元件。 然而，對允許電壓鉗位電路中的寄生電感的實(shí)際考慮意味著，針對每 個(gè)GTO器件來說可能還需要小緩沖器(未示出)。這種小緩沖器比 沒有電壓鉗位與能量恢復(fù)電路的傳統(tǒng)緩沖器具有較小的損耗。對于電 機(jī)的定子繞組具有用n個(gè)公共耦合點(diǎn)串聯(lián)連接的n個(gè)線圈的一般情況
來說，將容易理解的是，電子轉(zhuǎn)換電路具有n個(gè)開關(guān)級，能量恢復(fù)電 路具有n個(gè)鉗位級。
電壓鉗位與能量恢復(fù)電路還包括連接在第一主要直流線路DC1 和第--輔助直流線路DC3之間的第一電容器C1以及連接在第二主要 直流線路DC2和第二輔助直流線路DC4之間的第二電容器C2。第 一輔助直流線路DC3和第二輔助直流線路DC4之間的電壓通常大于 或等于第一主要直流線路DC1和第二主要直流線路DC2之間的電 壓，并且相對于用于正常放電模式的直流電壓來說是對稱的。因此， 可以將恢復(fù)并存儲在第一電容器Cl和第二電容器C2中的能量饋送 回電氣系統(tǒng)的主要直流電源或者某些其他部分。在傳統(tǒng)電子轉(zhuǎn)換電路 中，該能量將會在開關(guān)輔助網(wǎng)絡(luò)(緩沖器)中被消耗。
圖2示出了用于使得第一電容器Cl和第二電容器C2放電的直 流-直流轉(zhuǎn)換器的一種可能的布置，該直流-直流轉(zhuǎn)換器可以用于電機(jī) 被設(shè)計(jì)成僅工作在電動模式的情況。直流-直流轉(zhuǎn)換器組成了能量恢 復(fù)電路的一部分，并且提供了一種使得第一電容器Cl和第二電容器 C2分別向第二主要直流線路DC2和第一主要直流線路DC1放電的裝置。更具體地說，圖2中的直流-直流轉(zhuǎn)換器包括串聯(lián)連接在第一
輔助直流線路DC3和第二主要直流線路DC2之間的第一 GTO開關(guān) GT05和第一電感器Ll。開關(guān)GT05的陽極連接到第一輔助直流線 路DC3，而陰極連接到第一電感器L1。直流-直流轉(zhuǎn)換器還包括串聯(lián) 連接在第二輔助直流線路DC4和第一主要直流線路DC1之間的第二 GTO開關(guān)GT06和第二電感器L2。開關(guān)GT06的陰極連接到第二輔 助直流線路DC4，而陽極連接到第二電感器L2。最后，直流-直流轉(zhuǎn) 換器包括二極管SCR1，其陰極連接到第一開關(guān)GT05與第一電感器 Ll之間的結(jié)點(diǎn)，而陽極連接到第二開關(guān)GT06與第二電感器L2之間 的結(jié)點(diǎn)。盡管沒有示出，在第一輔助直流線路DC3和第二輔助直流 線路DC4之間還可以連接另一電容器。這是在第一電容器Cl和第二 電容器C2是分布電容器或者是多聯(lián)電容器的情況下的優(yōu)選布置，但 是容易理解的是，直流-直流轉(zhuǎn)換器對全部電容器是共用的。這種布 置有助于減小電壓鉗位電路中寄生電感的效應(yīng)。
參考圖1可以理解整個(gè)電路的基本操作。在電動模式的正常操 作下，電流從第二直流端沿著第二主要直流線路DC2流動，并且通 過由門控導(dǎo)通的相關(guān)的GTO開關(guān)在第一點(diǎn)處流入定子繞組。繞組電 流在第一點(diǎn)分支成兩個(gè)近似相等的路徑，并且在與第一點(diǎn)相差近似 180電度的第二點(diǎn)匯合。電流通過也處于導(dǎo)通的相關(guān)的GTO開關(guān)在 第二點(diǎn)處流出定子繞組，并且沿著第一主要直流線路DC1流到第一 直流端。例如，電流可以通過相關(guān)的GTO開關(guān)在第五公共耦合點(diǎn) PCC5處流入定子繞組，并且通過開關(guān)GTOl在第一公共耦合點(diǎn)PCC1 處流出定子繞組，其中一部分電流如圖1所示通過線圈SC6、 SC7、 SC8和SC1沿逆時(shí)針方向流動，而另外一部分電流通過線圈SC5、 SC4、 SC3禾n SC2順時(shí)針方向流動。
單個(gè)線圈的矢量和EMF將把第一電容器Cl充電到峰值直流電 壓Vp，把第二電容器C2充電到負(fù)峰值直流電壓-Vp。每個(gè)GTO器 件在相位控制下操作，通過相位控制在GTO上的電壓由于電機(jī)EMF 原因極性從負(fù)變?yōu)檎笠欢螘r(shí)間，憑借門控信號實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。該時(shí)間 段相對于電氣周期通常以角度來表示，并且通稱為放電角度。當(dāng)電機(jī)工作在電動模式時(shí)，第一主要直流線路DC1中的電壓相
對于第二主要直流線路DC2是負(fù)的。當(dāng)電機(jī)工作在發(fā)電模式時(shí)，第 一主要直流線路DC1中的電壓相對于第二主要直流線路DC2是正 的。如果VI代表第一主要直流線路DC1中的電壓，V2代表第二主 要直流線路DC2中的電壓，V3代表第一輔助直流線路DC3中的電 壓，而V4代表第二輔助直流線路DC4中的電壓，那么比率k可以 定義為
k=(Vl-V2)/(V3-V4)
比率k取決于放電角度，并且位于-1 (電動模式)和+ 1 (發(fā)電 模式)之間，而在發(fā)生開關(guān)事件時(shí)沒有能量被轉(zhuǎn)移到電壓鉗位電路中。 電壓鉗位電路的操作影響了 Vp的實(shí)際運(yùn)行值，該值大于單獨(dú)由k設(shè)
置的值。為了下面的討論，將假定:由于能量恢復(fù)電路是對稱的，所 以相對于電路的中間點(diǎn)來考慮峰值電壓Vp和其他所有電壓。
現(xiàn)在將參考圖3A-圖3C來描述圖2的電壓鉗位與能量恢復(fù)電路 的操作。
如果轉(zhuǎn)變是使得電流從開關(guān)GTOl (即，輸出開關(guān))轉(zhuǎn)換到開關(guān) GT03 (即，輸入開關(guān))，從而使得電流從第一公共耦合點(diǎn)PCC1處 離開定子繞組改變成從第二公共耦合點(diǎn)PCC2處離開定子繞組(對于 流入定子繞組的電流來說發(fā)生適當(dāng)?shù)念愃妻D(zhuǎn)變)，則電機(jī)的EMF — 定造成將要出現(xiàn)在輸入開關(guān)GT03上的前向電壓。圖3A中深灰箭頭 表示的是轉(zhuǎn)換處理開始時(shí)的電流流動(即，輸入開關(guān)GT03通過門控 導(dǎo)通之前)。
當(dāng)輸入開關(guān)GT03導(dǎo)通時(shí)，前向電壓是正確的極性并且易于將 第一公共耦合點(diǎn)PCC1和第二公共耦合點(diǎn)PCC2之間的第二線圈SC2 (圖l)中的電流反向。這將增大流入輸入開關(guān)GT03中的電流，而 減小流入輸出開關(guān)GTOl中的電流。緊接著輸入開關(guān)GT03通過門控 導(dǎo)通之后流動的電流在圖3A中以淺灰箭頭示出。在轉(zhuǎn)換處理期間的 一些點(diǎn)處，輸出開關(guān)GTOl將通過門控關(guān)斷。通過輸出開關(guān)GTOl 從第一公共耦合點(diǎn)PCC1流動的電流現(xiàn)在將流經(jīng)二極管Dl并流入處 于峰值電壓Vp的第一電容器Cl。第一電容器Cl的尺寸足夠大，使得電流基本上不會改變峰值電壓Vp。
二極管Dl中的峰值電流是輸
出開關(guān)GTOl中要被關(guān)斷的峰值電流，并且在默認(rèn)條件下，這可以是 全部直流鏈路電流。從第一公共耦合點(diǎn)PCC1到第一電容器Cl的二 極管電流的流向在圖3B中由深灰箭頭示出。第二公共耦合點(diǎn)PCC2 通過處于k*Vp的輸入開關(guān)GT03連接到第一主要直流線路DC1。這 意味著輸出開關(guān)GTOl上的電壓現(xiàn)在是(k-l)+Vp，這迫使第二線圈 SC2中的電流完全反向，如圖3B的深灰箭頭所示，表示了電流從第 一公共耦合點(diǎn)PCC1到第二公共耦合點(diǎn)PCC2的流動。這使得二極管 電流下降到0并關(guān)斷。由此，容易理解的是，第一電容器C1的接近 恒定的電壓有助于整個(gè)轉(zhuǎn)換處理并且限制了輸出開關(guān)GTOl所承受 的電壓應(yīng)力。圖3B的淺灰箭頭示出了輸出開關(guān)GTOl —旦關(guān)斷通過 輸入開關(guān)GT03的電流流動。在每次轉(zhuǎn)換事件時(shí)，這整個(gè)轉(zhuǎn)變操作將 以逐漸增加方式提升峰值電壓Vp。
上面只是直接描述了流出定子繞組的直流電流的轉(zhuǎn)變。然而， 容易理解的是，對于流入定子繞組的直流電流也一定發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn) 變。流入定子繞組的直流電流的轉(zhuǎn)變可能隨著流出定子繞組的直流電 流的轉(zhuǎn)變同時(shí)發(fā)生，或者根據(jù)特定配置而在不同時(shí)間發(fā)生。例如上面 給出的示例，轉(zhuǎn)變是使電流從在第一公共耦合點(diǎn)PCC1處離開定子繞 組改變?yōu)樵诘诙柴詈宵c(diǎn)PCC2處離開定子繞組，則對應(yīng)的轉(zhuǎn)變會 使電流從在第五公共耦合點(diǎn)PCC5處進(jìn)入定子繞組改變?yōu)樵诘诹?共耦合點(diǎn)PCC6處進(jìn)入定子繞組。由此，與第五公共耦合點(diǎn)PCC5相 關(guān)的GTO開關(guān)將是輸出開關(guān)，而與第六公共耦合點(diǎn)PCC6相關(guān)的GTO 開關(guān)將是輸入開關(guān)。然而，為了以下的說明，更方便的是考慮開關(guān) GT02是輸出開關(guān)而開關(guān)GT04是輸入開關(guān)情況下的完整分開的轉(zhuǎn)變 事件。
這種轉(zhuǎn)變類似于上述轉(zhuǎn)變，只是極性相反。在轉(zhuǎn)換處理開始時(shí)， 輸入開關(guān)GT04被前向偏置并且可以通過門控導(dǎo)通。前向偏置電壓有 助于將第一公共耦合點(diǎn)PCC1和第二公共耦合點(diǎn)PCC2之間的第二線 圈SC2 (圖1)中的電流反向。在轉(zhuǎn)換處理期間的一些點(diǎn)，輸出開關(guān) GT02將通過門控關(guān)斷。第一公共耦合點(diǎn)PCC1處的任何不足的電流將從處于負(fù)峰值電壓-Vp的第二電容器C2流經(jīng)二極管D2。第二公共
耦合點(diǎn)PCC2通過處于-WVp的輸入開關(guān)GT04連接到第二主要直流 線路DC2。這意味著輸出開關(guān)GT02上的電壓現(xiàn)在是(k-l"Vp，這迫 使線圈SC2中的電流完全反向。
為了避免峰值電壓Vp變得太大，同時(shí)對第一電容器C1和第二 電容器C2進(jìn)行周期性放電。通過門控使得直流-直流轉(zhuǎn)換器的第一開 關(guān)GT05和第二開關(guān)GT06導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)這樣的放電，以使得在每個(gè)都 具有等于(l-k"Vp的電壓的第一電感器Ll和第二電感器L2中產(chǎn)生 電流(不考慮使該電壓增大的轉(zhuǎn)變事件以及第一電容器Cl和第二電 容器C2的周期性放電的影響)。當(dāng)峰值電壓Vp充分下降時(shí)，第一 開關(guān)GT05和第二開關(guān)GT06通過門控關(guān)斷。這使得電感器Ll和L2 兩者上的電壓反向，從而二極管SCR2變成前向偏置并導(dǎo)通。第一電 感器L1、 二極管SCR1和第二電感器L2的串聯(lián)連接電路中的電流減 小，并且當(dāng)減小到0時(shí)，二極管SCR1關(guān)斷，從而將電路恢復(fù)到初始 狀態(tài)。
對第一電容器Cl和第二電容器C2上的電壓的監(jiān)測可以提供有 關(guān)電機(jī)的操作特征和狀態(tài)的有用信息。該信息可以包括正在定子繞組 中正在產(chǎn)生的EMF以及對單個(gè)開關(guān)級的GTO開關(guān)正確傳導(dǎo)電流的確 認(rèn)。該信息可用來幫助控制電機(jī)和/或?qū)㈦姍C(jī)作為一部分的整個(gè)系統(tǒng)。
第一電容器Cl和第二電容器C2放電之間的周期對電路的操作 并不重要，例如，可以是用于主要GTO器件的開關(guān)頻率的倍數(shù)或約 數(shù)。然而，放電間期影響了第一電容器Cl和第二電容器C2的所需 尺寸，這是因?yàn)殡娙萜魃系碾妷簯?yīng)基本不變的需要。例如，用于完全 負(fù)載下第一開關(guān)GT05和第二開關(guān)GT06的10%占空比容許將要選 擇的第一電感L1和第二電感L2的值。優(yōu)選占空比容許第一電感L1 和第二電感L2中的電流在開關(guān)周期內(nèi)達(dá)到0，以減小對二極管SCR1 的需求。優(yōu)選范圍內(nèi)較高的占空比會減小第一開關(guān)GT05和第二開關(guān) GT06所需的峰值電流，但會減少用于二極管SCR1的反向恢復(fù)的可 用時(shí)間。
容易理解的是，在電機(jī)被設(shè)計(jì)僅工作在電動模式時(shí)使用圖2的直流-直流轉(zhuǎn)換器。因此，圖4示出了用于直流-直流轉(zhuǎn)換器的替代結(jié) 構(gòu)，該直流-直流轉(zhuǎn)換器可用于在電機(jī)被設(shè)計(jì)成通常工作在電動模式 但偶爾也需要工作在發(fā)電模式時(shí)使得第一電容器Cl和第二電容器
C2放電。在此情況下，二極管SCR1已由晶閘管(也標(biāo)記為SCR1) 取代，串聯(lián)連接的晶閘管SCR3和電阻器DBR連接在第一直流端和 第二直流端之間，以在電源轉(zhuǎn)換器不能再生供電網(wǎng)絡(luò)時(shí)防備電動機(jī)斷 路。這對于海上推進(jìn)驅(qū)動器來說是常見應(yīng)用，其中電阻為通常所說的 動態(tài)斷路電阻器(DBR)，并且電機(jī)在大部分時(shí)間作為電動機(jī)而不是 發(fā)電機(jī)來運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)從電動模式改變?yōu)榘l(fā)電模式時(shí)，第一主要直流 線路DC1和第二主要直流線路DC2的極性相反。在發(fā)生反向之前， 必須去除施加到晶閘管SCR1和第一開關(guān)GT05和第二開關(guān)GT06上 的門控信號，并且必須容許第一電感器Ll和第二電感器L2中的電 流下降為0，使得晶閘管SCR1可以恢復(fù)并且阻止前向電壓。在此狀 態(tài)下，不能再使得第一電容器Cl和第二電容器C2放電，因此主要 GTO器件必須作為自然轉(zhuǎn)換的晶閘管運(yùn)行，對每個(gè)處于導(dǎo)通的主要 GTO器件保持門驅(qū)動直到陽極電流達(dá)到0。當(dāng)電機(jī)從電動模式改變?yōu)?發(fā)電模式時(shí)，主要GTO器件的放電角度也得以前進(jìn)。
圖5示出了用于直流-直流轉(zhuǎn)換器的一種可能的布置，在電機(jī)被 設(shè)計(jì)成通常工作在發(fā)電模式時(shí)可使用該直流-直流轉(zhuǎn)換器。容易理解 的是，電壓鉗位與能量恢復(fù)電路對于發(fā)電應(yīng)用來說不是那么重要，這 是因?yàn)橛捎趦H對性能具有很小的影響，所以可以延遲對輸出GTO開 關(guān)的關(guān)斷控制直到該GTO開關(guān)中的電流己經(jīng)下降為0。在此情況下， 不存在過量電流來提升第一電容器Cl和第二電容器C2的電壓。
如果在載有電流時(shí)通過門控關(guān)斷輸出GTO開關(guān)，則將如上所述 提升第一電容器Cl和第二電容器C2的電壓。必須容許對第一主要 直流線路DC1和第二主要直流線路DC2之間的電壓極性進(jìn)行反向， 并且因此必須使得第一電容器Cl和第二電容器C2對主要直流線路 進(jìn)行放電，這與用于電動模式的情況相反。然而，圖5的直流-直流 轉(zhuǎn)換器的整個(gè)操作在功能上等效于上面參考圖3A-圖3C所述的操 作。圖6示出了基于圖5的一種結(jié)構(gòu)，其中第三電容器C3連接在第
一輔助直流線路DC3和第二輔助直流線路DC4之間。額外的電容器 C4和C5也分別連接在第一輔助直流線路DC3和第一主要直流線路 DC1之間以及第二輔助直流線路DC4和第二主要直流線路DC2之 間。因此，圖6中的電壓鉗位與能量恢復(fù)電路包括分布電容器或者多 聯(lián)電容器。然而，容易理解的是，全部電容器Cl到C5都由單個(gè)直 流-直流轉(zhuǎn)換器共用，其中圖6的布置與圖5的直流-直流轉(zhuǎn)換器的布 置相同。該布置仍舊具有相對較少的電子元件，這意味著較低的硬件 成本和改進(jìn)的可靠性。容易理解的是，該電容器的特定布置可以應(yīng)用 到在此描述的任何其他電壓鉗位與能量恢復(fù)電路。
圖7示出了用于直流-直流轉(zhuǎn)換器的一種可能的布置，該直流-直流轉(zhuǎn)換器可以用于電機(jī)被設(shè)計(jì)成工作在電動和發(fā)電兩種模式的情 況。該直流-直流轉(zhuǎn)換器是分別用于電動和發(fā)電模式的圖2和圖5中 所示的那些直流-直流轉(zhuǎn)換器的有效結(jié)合。然而，二極管SCRl和SCR2 由可以根據(jù)適當(dāng)情況針對電動或者發(fā)電模式而通過門控導(dǎo)通和關(guān)斷 的晶閘管(也標(biāo)記為SCR1和SCR2)代替。
圖8示出了可替代的諧振式直流-直流轉(zhuǎn)換器，該直流-直流轉(zhuǎn)換 器可以用于電機(jī)被設(shè)計(jì)成通常工作在電動模式的情況。當(dāng)主要GTO 器件作為自然的轉(zhuǎn)換晶閘管運(yùn)行時(shí)，電機(jī)可以作為發(fā)電機(jī)工作，對每 個(gè)導(dǎo)通的主要GTO器件保持門驅(qū)動直到陽極電流已達(dá)到0。容易理 解的是，這種電路需要在圖8所示的DBR中消耗能量，從而提供制 動力。諧振式直流-直流轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用容許對能量恢復(fù)電路的控制進(jìn) 一步簡化。在并聯(lián)連接的電容器C6使得晶閘管SCR4變得反向偏置 時(shí)，第一開關(guān)GT05由自動關(guān)斷的晶閘管SCR4取代。類似的，在并 聯(lián)連接的電容器C7使得晶閘管SCR5變得反向偏置時(shí)，第二開關(guān) GT06由自動關(guān)斷的晶閘管SCR5取代。電感器L3和L4分別與晶閘 管SCR4禾口 SCR5串聯(lián)連接(且與電容器C6和C7并聯(lián)連接)，并且 相比較第一電感器L1和第二電感器L2具有小電感量。晶閘管SCR6 連接在晶閘管SCR4和第一電感器L1的結(jié)點(diǎn)與晶鬧管SCR5和第二 電感器L2的結(jié)點(diǎn)之間。如果電機(jī)只會用于電動模式，則晶閘管SCR6可以由簡單二極管取代。假定，只要電機(jī)工作在電動模式時(shí)晶閘管 SCR6就會導(dǎo)通，因此在下面描述中，該晶閘管將作為二極管工作。
當(dāng)晶閘管SCR4通過門控導(dǎo)通以使得電壓鉗位電路的第一電容 器C1放電時(shí)，根據(jù)疊加原理，由于在電容器C6的初始充電時(shí)電容 器C6和電感器L3被短路，所以流過晶閘管SCR4的電流為將流入 先前(非諧振式)用于電動應(yīng)用的直流-直流轉(zhuǎn)換器中的電流與正弦 諧振電流之和。這些電流的第一部分將根據(jù)下面的事實(shí)稍微加以修 改相關(guān)電感量為兩個(gè)電感器Ll和L3的電感量之和，而第一電感 器L1的較大電感量占主導(dǎo)。根據(jù)元件值的正確選擇，通過電容器C6 的正弦電流將足夠大，使得通過晶閘管SCR4的總電流試圖變負(fù)，這 將自動地使得晶閘管SCR4關(guān)斷。在第一電感器L1上己經(jīng)建立的電 流(以及當(dāng)通過門控導(dǎo)通晶閘管SCR5來使得電壓鉗位電路的第二電 容器C2放電時(shí)在第二電感器L2中類似方式下建立的電流)將繼續(xù) 流動并且通過電容器C6和C7的充電來提供，直到晶閘管SCR6變 成前向偏置并且使得電容器C6和C7發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)為止。
諧振式直流-直流轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用意味著，當(dāng)電容器Cl和C2上的 電壓超過特定閾值時(shí)，通過門控導(dǎo)通晶閘管SCR4和SCR5，可以有 選擇地使得第一電容器C1和第二電容器C2放電。隨后，晶閘管SCR4 和SCR5將通過公知的諧振轉(zhuǎn)換處理自然恢復(fù)。
對第一電感器L1和第二電感器L2以及第一主要直流線路DC1 和第二主要直流線路DC2之間的連接進(jìn)行適當(dāng)反向，類似的諧振式 直流-直流轉(zhuǎn)換器可用于發(fā)電模式。然而，選擇適合的元件值使得正 確工作在發(fā)電模式會更困難。對于設(shè)計(jì)工作在電動和發(fā)電兩種模式的 電路來說，這些困難會增大，而替代的直流-直流轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)可以提 供行得通的替代物。
圖9示出了用于第一輔助直流線路DC3和第二輔助直流線路 DC4的分別的直流-直流轉(zhuǎn)換器。如果實(shí)際元件值使得第一輔助直流 線路DC3和第二輔助直流線路DC4不會彼此追蹤，那么可能需要分 別的直流-直流轉(zhuǎn)換器。圖9中的第一直流-直流轉(zhuǎn)換器包括串聯(lián)連接 在第一輔助直流線路DC3和第二主要直流線路DC2之間的第一GTO開關(guān)GT05和第一電感器L1，以及晶閘管SCR6，其陰極連接到第一 開關(guān)GT05和第一電感器Ll之間的結(jié)點(diǎn)，其陽極連接到第二主要直 流線路DC2。圖9中的第二直流-直流轉(zhuǎn)換器包括串聯(lián)連接在第二輔 助直流線路DC4和第一主要直流線路DC1之間的第二 GTO開關(guān) GT06和第二電感器L2，以及晶閘管SCR7，其陽極連接到第二開關(guān) GT06和第二電感器L2之間的結(jié)點(diǎn)，其陰極連接到第一主要直流線 路DC1。當(dāng)電機(jī)工作在電動模式時(shí)，晶閘管SCR6和SCR7 —直導(dǎo)通， 而當(dāng)電機(jī)工作在發(fā)電模式時(shí)，晶閘管SCR6和SCR7—定關(guān)斷。如果 電機(jī)將只工作在電動模式，則晶閘管SCR6和SCR7可以由二極管代 替。在圖9的電路的實(shí)施例中，當(dāng)僅用于電動模式時(shí)，將使用兩個(gè)相 同的控制電路， 一個(gè)用于第一開關(guān)GT05，另一個(gè)用于第二開關(guān) GT06。對控制電路的控制輸入將是由電流變壓器感測的相關(guān)電感器 (即，用于第一開關(guān)GT05的第一電感器Ll和用于第二開關(guān)GT06 的第二電感器L2)中的電流以及GTO開關(guān)上被控制的前向電壓。當(dāng) 前向電壓超過閾值時(shí)，控制電路將使得GTO開關(guān)導(dǎo)通，而當(dāng)相關(guān)電 感器中的電流達(dá)到第二閾值時(shí)，使得GTO開關(guān)關(guān)斷?？梢詫⒖刂齐?路設(shè)計(jì)成不需要附加電源和其他控制輸入。
在更一般的情況下，可能需要對晶閘管SCR6禾n SCR7的控制， 以及對GTO開關(guān)上的觸發(fā)電壓的選擇。觸發(fā)電壓的選擇提供了控制 鉗位電壓的裝置，這可能在某些應(yīng)用中有益。這些功能會需要對控制 電路的進(jìn)一步的輸入控制。
權(quán)利要求
1. 一種用于電機(jī)的定子繞組的電路，該定子繞組包括多個(gè)通過相同數(shù)量的公共耦合點(diǎn)鏈接的線圈，所述電路包括電子轉(zhuǎn)換電路，其具有相同數(shù)量的開關(guān)級，每個(gè)開關(guān)級連接在各自的一個(gè)公共耦合點(diǎn)與第一主要直流線路和第二主要直流線路之間，并且每個(gè)開關(guān)級包括第一逆阻半導(dǎo)體功率器件，其能夠通過門控導(dǎo)通和關(guān)斷，其陰極連接到第一主要直流線路；和第二逆阻半導(dǎo)體功率器件，其能夠通過門控導(dǎo)通和關(guān)斷，其陽極連接到第二主要直流線路；并且所述電路還包括電壓鉗位電路，其包括相同數(shù)量的鉗位級，每個(gè)鉗位級都連接在各自的一個(gè)公共耦合點(diǎn)與第一輔助直流線路和第二輔助直流線路之間，每個(gè)鉗位級包括其陰極連接到第一輔助直流線路的第一二極管和其陽極連接到第二輔助直流線路的第二二極管；第一電容器，其連接在第一主要直流線路和第一輔助直流線路之間；和第二電容器，其連接在第二主要直流線路和第二輔助直流線路之間；并且所述電路還包括用于選擇性地使得第一電容器和第二電容器放電的裝置。
2. 如權(quán)利要求l所述的電路，其中可選擇性地使得第一電容器和第二電容器進(jìn)行放電的裝置是用于對存儲在第一電容器和第二電 容器中的能量進(jìn)行恢復(fù)的能量恢復(fù)電路。
3. 如權(quán)利要求2所述的電路，其中能量恢復(fù)電路包括直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置，用于有選擇地使得第一電容器對第一主要直流線路和第 二主要直流線路中的一條線路放電，并且有選擇地使得第二電容器對 第一主要直流線路和第二主要直流線路中的另一條線路放電。
4. 如前述任一權(quán)利要求所述的電路，其中電壓鉗位電路還包括 連接在第一輔助直流線路和第二輔助直流線路之間的第三電容器。
5. 如前述任一權(quán)利要求所述的電路，其中電壓鉗位電路還包括 連接在第一主要直流線路和第一輔助直流線路之間的多個(gè)第一電容 器以及連接在第二主要直流線路和第二輔助直流線路之間的多個(gè)第 二電容器。
6. 如前述任一權(quán)利要求所述的電路，還包括第一直流端和第二 直流端，其中串聯(lián)連接的晶閘管和電阻器連接在第一直流端和第二直 流端之間。
7. 如權(quán)利要求3所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置包括串聯(lián)連接在第一輔助直流線路和第二主要直流線路之間的第一半導(dǎo)體功率器件和第一電感器；串聯(lián)連接在第二輔助直流線路和第一主要直流線路之間的第二半導(dǎo)體功率器件和第二電感器；以及第三半導(dǎo)體功 率器件，其陰極連接到第一半導(dǎo)體功率器件和第一電感器之間的結(jié)點(diǎn)，其陽極連接到第二半導(dǎo)體功率器件和第二電感器之間的結(jié)點(diǎn)。
8. 如權(quán)利要求7所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的第一 半導(dǎo)體功率器件的陽極連接到第一輔助直流線路，而直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的第二半導(dǎo)體功率器件的陰極連接到第二輔助直流線路。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的 第三半導(dǎo)體功率器件是二極管。
10. 如權(quán)利要求7或8所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置 的第三半導(dǎo)體功率器件是晶閘管。
11. 如權(quán)利要求3所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置包括 串聯(lián)連接在第一輔助直流線路和第一主要直流線路之間的第一半導(dǎo) 體功率器件和第一電感器；串聯(lián)連接在第二輔助直流線路和第二主要直流線路之間的第二半導(dǎo)體功率器件和第二電感器；以及第三半導(dǎo)體 功率器件，其陰極連接到第一半導(dǎo)體功率器件和第一電感器之間的結(jié)點(diǎn)，而其陽極連接到第二半導(dǎo)體功率器件和第二電感器之間的結(jié)點(diǎn)。
12. 如權(quán)利要求11所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的第 一半導(dǎo)體功率器件的陽極連接到第一輔助直流線路，而直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的第二半導(dǎo)體功率器件的陰極連接到第二輔助直流線路。
13. 如權(quán)利要求11或12所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝 置的第三半導(dǎo)體功率器件是二極管。
14. 如權(quán)利要求11或12所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝 置的第三半導(dǎo)體功率器件是晶閘管。
15. 如權(quán)利要求3所述的電路，直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置包括連接 到第二主要直流線路的第一電感器、連接到第一主要直流線路的第二 電感器、連接在第一輔助直流線路和第一電感器之間的第一半導(dǎo)體功 率器件、連接在第二輔助直流線路和第二電感器之間的第二半導(dǎo)體功 率器件、連接在第一輔助直流線路和第二電感器之間的第三半導(dǎo)體功 率器件、連接在第二輔助直流線路和第一電感器之間的第四半導(dǎo)體功 率器件、其陰極連接到第一半導(dǎo)體功率器件和第一電感器之間的結(jié)點(diǎn)而其陽極連接到第二半導(dǎo)體功率器件和第二電感器之間的結(jié)點(diǎn)的第 五半導(dǎo)體功率器件、以及其陰極連接到第二半導(dǎo)體功率器件和第二電感器之間的結(jié)點(diǎn)而其陽極連接到第四半導(dǎo)體功率器件和第一電感器 之間的結(jié)點(diǎn)的第六半導(dǎo)體功率器件。
16. 如權(quán)利要求15所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的第一半導(dǎo)體功率器件和第三半導(dǎo)體功率器件的陽極連接到第一輔助直流線路，而直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的第二半導(dǎo)體功率器件和第四半導(dǎo) 體功率器件的陰極連接到第二輔助直流線路。
17. 如權(quán)利要求15或16所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝 置的第五半導(dǎo)體功率器件和第六半導(dǎo)體功率器件是晶閘管。
18. 如權(quán)利要求3所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置是諧振式直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置。
19. 如權(quán)利要求18所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置包括串聯(lián)連接在第一輔助直流線路和第二主要直流線路之間的第一電感 器和第一電容器；串聯(lián)連接在第二輔助直流線路和第一主要直流線路之間的第二電感器和第二電容器；串聯(lián)連接在第一輔助直流線路和第 一電感器同第一電容器間結(jié)點(diǎn)之間的第一半導(dǎo)體功率器件和第三電感器，以使得第一半導(dǎo)體功率器件和第三電感器與第一電容器并聯(lián)連 接；串聯(lián)連接在第二輔助直流線路和第二電感器同第二電容器間結(jié)點(diǎn) 之間的第二半導(dǎo)體功率器件和第四電感器，以使得第二半導(dǎo)體功率器 件和第四電感器與第二電容器并聯(lián)連接；以及其陰極連接到第一電感 器和第一電容器之間的結(jié)點(diǎn)而其陽極連接到第二電感器和第二電容 器之間的結(jié)點(diǎn)的第三半導(dǎo)體功率器件。
20. 如權(quán)利要求19所述的電路，其中第一半導(dǎo)體功率器件的陽 極連接到第三電感器，而第一半導(dǎo)體功率器件的陰極連接到第一電感 器和第一電容器之間的結(jié)點(diǎn)。
21. 如權(quán)利要求19或20所述的電路，其中第二半導(dǎo)體功率器件 的陰極連接到第二輔助直流線路，而第二半導(dǎo)體功率器件的陽極連接 到第四電感器。
22. 如權(quán)利要求19到21中任一所述的電路，其中第一半導(dǎo)體功 率器件的陽極連接到第一輔助直流線路，而第一半導(dǎo)體功率器件的陰 極連接到第三電感器。
23. 如權(quán)利要求19到22中任一所述的電路，其中第二半導(dǎo)體功 率器件的陰極連接到第四電感器，而第二半導(dǎo)體功率器件的陽極連接 到第二電感器和第二電容器之間的結(jié)點(diǎn)。
24. 如權(quán)利要求19到23中任一所述的電路，其中直流-直流轉(zhuǎn) 換器裝置的第一半導(dǎo)體功率器件、第二半導(dǎo)體功率器件和第三半導(dǎo)體 功率器件是晶閘管。
25. 如權(quán)利要求2所述的電路，其中能量恢復(fù)電路包括第一直流 -直流轉(zhuǎn)換器裝置，其用于使得第一電容器選擇性地對第一主要直流 線路和第二主要直流線路中的一條線路放電，還包括第二直流-直流 轉(zhuǎn)換器裝置，其用于使得第二電容器選擇性地對第一主要直流線路和 第二主要直流線路中的另一條線路放電。
26. 如權(quán)利要求25所述的電路，其中第一直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置 包括串聯(lián)連接在第一輔助直流線路和第二主要直流線路之間的第一 半導(dǎo)體功率器件和第一電感器，以及其陰極連接到第一半導(dǎo)體功率器件和第一電感器之間的結(jié)點(diǎn)而其陽極連接到第二主要直流線路的第 二半導(dǎo)體功率器件。
27. 如權(quán)利要求26所述的電路，其中第二半導(dǎo)體功率器件是二 極管。
28. 如權(quán)利要求26所述的電路，其中第二半導(dǎo)體功率器件是晶 閘管。
29. 如權(quán)利要求25到28中任一所述的電路，其中第二直流-直 流轉(zhuǎn)換器裝置包括串聯(lián)連接在第二輔助直流線路和第一主要直流線 路之間的第一半導(dǎo)體功率器件和第一電感器，以及其陽極連接到第一 半導(dǎo)體功率器件和第一電感器之間的結(jié)點(diǎn)而其陰極連接到第一主要直流線路的第二半導(dǎo)體功率器件。
30. 如權(quán)利要求29所述的電路，其中第二半導(dǎo)體功率器件是二 極管。
31. 如權(quán)利要求29所述的電路，其中第二半導(dǎo)體功率器件是晶 閘管。
32. —種電機(jī)，包括移動部分、定子、具有多個(gè)通過相同數(shù)量的 公共耦合點(diǎn)而鏈接的線圈的定子繞組、以及如前述任一權(quán)利要求所述 的電路，其中電子轉(zhuǎn)換電路的每個(gè)開關(guān)級連接在各自的一個(gè)公共耦合 點(diǎn)與第一主要直流線路和第二主要直流線路之間，電壓鉗位電路的每 個(gè)鉗位級連接在各自的一個(gè)公共耦合點(diǎn)與第一輔助直流線路和第二 輔助直流線路之間。
33. —種對如權(quán)利要求32所述的電機(jī)進(jìn)行控制的方法，其中第 一輔助直流線路和第二輔助直流線路之間的電壓對于電機(jī)的所有操 作狀態(tài)來說基本恒定。
34. —種對如權(quán)利要求32所述的電機(jī)進(jìn)行控制的方法，其中第 一輔助直流線路和第二輔助直流線路之間的電壓根據(jù)電機(jī)的操作狀 態(tài)而變化。
35. —種對如權(quán)利要求7到17中任一所述的電路進(jìn)行控制的方 法，其中根據(jù)脈沖寬度調(diào)制策略或者脈沖周期調(diào)制策略來控制直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的半導(dǎo)體功率器件。
36. —種對如權(quán)利要求19到24中任一所述的電路進(jìn)行控制的方 法，其中根據(jù)脈沖寬度調(diào)制策略或者脈沖周期調(diào)制策略來控制直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的半導(dǎo)體功率器件。
37. —種對如權(quán)利要求25到31中任一所述的電路進(jìn)行控制的方 法，其中根據(jù)脈沖寬度調(diào)制策略或者脈沖周期調(diào)制策略來控制第一直 流-直流轉(zhuǎn)換器裝置和第二直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置的半導(dǎo)體功率器件。
38. —種從用于電機(jī)定子繞組的電子轉(zhuǎn)換電路中恢復(fù)能量的方 法，該定子繞組具有多個(gè)通過相同數(shù)量的公共耦合點(diǎn)鏈接的線圈，電 子轉(zhuǎn)換電路具有相同數(shù)量的開關(guān)級，每個(gè)開關(guān)級連接在各自的一個(gè)公 共耦合點(diǎn)與第一主要直流線路和第二主要直流線路之間，并且每個(gè)開 關(guān)級包括第一逆阻半導(dǎo)體功率器件，其能夠通過門控導(dǎo)通和關(guān)斷，其陰 極連接到第一主要直流線路；和第二逆阻半導(dǎo)體功率器件，其能夠通過門控導(dǎo)通和關(guān)斷，其陽極連接到第二主要直流線路； 該方法包括步驟當(dāng)開關(guān)級的第一逆阻半導(dǎo)體功率器件或者第二逆阻半導(dǎo)體功率 器件之一通過門控被關(guān)斷時(shí)，利用流經(jīng)所述第一逆阻半導(dǎo)體功率器件 或者第二逆阻半導(dǎo)體功率器件之一的電流來給電容器充電；以及使電容器選擇性地放電。
39. 如權(quán)利要求38所述的方法，其中由用于對存儲在電容器中的能量進(jìn)行恢復(fù)的能量恢復(fù)電路來使電容器選擇性地放電。
40. 如權(quán)利要求38或39所述的方法，其中由直流-直流轉(zhuǎn)換器 裝置使電容器選擇性地放電。
41. 如權(quán)利要求40所述的方法，其中直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置是諧 振式直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置。
42. 如權(quán)利要求38到41中任一所述的方法，其中電容器有選擇 地對第一主要直流線路和第二主要直流線路中的一條線路進(jìn)行放電。
43. 如權(quán)利要求38到42中任一所述的方法，還包括對電容器上 的電壓進(jìn)行監(jiān)測以確定有關(guān)電機(jī)的運(yùn)行特征的信息的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于旋轉(zhuǎn)或直線電機(jī)的定子繞組的電壓鉗位與能量恢復(fù)電路，包括具有相同數(shù)量的開關(guān)級的電子轉(zhuǎn)換電路，每個(gè)開關(guān)級連接在各自的一個(gè)公共耦合點(diǎn)與第一主要直流線路和第二主要直流線路之間。每個(gè)開關(guān)級包括能由門控導(dǎo)通和關(guān)斷的第一逆阻半導(dǎo)體功率器件和第二逆阻半導(dǎo)體功率器件。電壓鉗位電路包括相同數(shù)量的鉗位級，每個(gè)鉗位級都連接在各自的一個(gè)公共耦合點(diǎn)與第一輔助直流線路和第二輔助直流線路之間。每個(gè)鉗位級包括第一二極管和第二二極管。電壓鉗位電路還包括第一電容器和第二電容器。能量恢復(fù)電路包括用于選擇性地使得第一電容器和第二電容器向第一主要直流線路和第二主要直流線路放電的直流-直流轉(zhuǎn)換器裝置。
文檔編號H02P6/00GK101447753SQ200810179240
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月1日
發(fā)明者戴維·尼古拉斯·李, 艾倫·戴維·克蘭 申請人:康弗蒂姆技術(shù)有限公司