基于開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)的功率變換器設(shè)計

0 引 言

開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)(SRD)是由電力電子技術(shù)、控制技術(shù)及計算機技術(shù)與傳統(tǒng)磁阻電機相結(jié)合，發(fā)展起來的新型無級調(diào)速系統(tǒng)。功率變換器是開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分，在電機成本中占有很大比重，其性能的好壞將直接影響到電機的工作效率和可靠性。功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)的不同主要表現(xiàn)在電機繞組回饋能量方式的差異上。本文將以開關(guān)磁阻電機功率變換器為研究對象。

1 開關(guān)磁阻電機功率變換電路

1.1 功率變換器簡介

功率變換器調(diào)節(jié)不同的負載處于額定功率運行，同時也有不受電網(wǎng)波動影響的作用。功率變換器是通過電力電子裝置進行的，既有直流功率變換器，也有交流功率變換器。其原理是在一個周期內(nèi)調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間或是在幾個周期內(nèi)調(diào)節(jié)若干個連續(xù)導(dǎo)通或關(guān)斷時間來改變電機輸出功率。

功率電子器件在調(diào)速系統(tǒng)及各種功率變換電路中運用廣泛，以開關(guān)方式工作的電力電子器件是開關(guān)磁阻電機功率變換電路的基礎(chǔ)及核心。目前，較常用的功率開關(guān)器件主要有以下幾種：晶閘管(SCR)、雙極型功率晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。本文中選擇開關(guān)磁阻電機功率變換電路都是以IGBT 為主開關(guān)器件。

1.2 功率變換器的拓撲結(jié)構(gòu)

功率變換器是開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分，其拓撲結(jié)構(gòu)具有多種形式，區(qū)別主要在于回收繞組釋放磁場能量的方法不同。圖1 所示是一種不對稱半橋式功率變換電路。

2 功率變換器的設(shè)計

2.1 新型功率變換電路的結(jié)構(gòu)特點

新型功率變換器主電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示，圖中虛線框Ⅰ、Ⅱ以外是典型的不對稱半橋式功率變換電路。其中A、B、C 是SRM 的三相繞組;S1 ~ S6 為相開關(guān);D1 ~ D6 為各相繞組的續(xù)流二極管;虛線框Ⅰ以內(nèi)的執(zhí)行軟開關(guān)輔助電路由諧振電感Lr,諧振電容Cr,輔助開關(guān)Sch、Sdis 和二極管Dch、Dfr 組成;虛線框Ⅱ內(nèi)是RCD 緩沖吸收回路，與主開關(guān)并聯(lián)。

與傳統(tǒng)的半橋式功率變換電路相比，本電路具有以下一些特點：電路中加入軟開關(guān)輔助電路，只要適時控制輔助開關(guān)Sch、Sdis 的通斷，則可實現(xiàn)主開關(guān)的軟開啟和軟關(guān)斷;與主開關(guān)并聯(lián)的RCD 緩沖電路，因電容電壓不能突變，可抑制IGBT 關(guān)斷時的過電壓，同時可緩解導(dǎo)通時繞組磁鏈的波動。

2.2 新型功率變換電路的工作原理分析

以A 相繞組為例，其改進后的電路基本運行圖如圖3 所示，圖4 顯示了電路的基本波形。其中主開關(guān)S2 的一個開關(guān)周期分為充電、PWM 調(diào)制和放電三個階段：

(1)在充電期間(如圖4 所示中的t0 ~ t2)：t0 之前，電容Cr 已經(jīng)在前面的周期內(nèi)放電至零。在t0 時刻，Dch 零電流開關(guān)條件下導(dǎo)通，Cr 通過電感Lr 充電，通過1/2 個諧振周期至t1 時結(jié)束。由于Dch 單向?qū)щ娦?，t1 時刻之后ich=0,在t2 時刻Sch 在零電流條件關(guān)斷。在t0 時Sch 打開，直流環(huán)節(jié)電壓下降到零，于此，S2 在零電壓下打開。

(2)PWM 期間( 如圖4 所示中的t2 到t3)：通過調(diào)節(jié)PWM 的占空比可控制對SRM 的能量輸出。

(3) 放電期間( 如圖4 所示中的t3 ~ t7)：在t3 時刻，Sdis 開啟， 電容Cr 通過Lr 放電， 放電路徑為Cr → Lr → U → S2 → D1 → Sdis.t5 時刻后，負載電流開始流經(jīng)Cr,Cr 不斷放電至零。最后，在t6 時刻，Vcr=0,二極管Dfr 導(dǎo)通，idis=0,負載電流依次通過D1、Dfr 和S1.t6 時刻后，Sdis 關(guān)斷，idis=0.

開關(guān)磁阻電機的控制策略一般分為三類，即脈寬調(diào)制(PWM)、角度位置控制(APC)和直流斬波控制(CCC)。適時控制Sch 的導(dǎo)通時刻，可以在這三個控制策略上實現(xiàn)主開關(guān)的軟開啟與軟關(guān)斷。

3 開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)仿真研究

3.1 仿真結(jié)構(gòu)圖

圖5 所示為通用開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖。

設(shè)置電機參數(shù)為：相電壓為240 V,定子電阻為0.05 Ω，轉(zhuǎn)動慣量為0.05 kg·m2,摩擦系數(shù)0.02 N·m·s.仿真數(shù)據(jù)輸出有磁鏈、電流、轉(zhuǎn)矩和角速度，電流與角速度作為反饋信號輸入控制單元，控制開通角40°，關(guān)斷角75°。

圖6(a)、(b)分別為不對稱半橋式功率變換電路仿真結(jié)構(gòu)和新型功率變換電路的仿真結(jié)構(gòu)。在Simulink 仿真中，此電路封裝在圖5 中的功率變換器(B)模塊中。

3.2 仿真結(jié)果比較

圖7 所示是磁鏈比較圖形。從仿真曲線中可以看出，基于半橋型功率變換電路的驅(qū)動系統(tǒng)中繞組開關(guān)導(dǎo)通時相磁鏈增大，無論啟動階段還是穩(wěn)定運行階段，磁鏈增大時都有較小幅度的波動，這不利于電機轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)運轉(zhuǎn);而基于新型功率變換電路的驅(qū)動系統(tǒng)克服了這一缺點，開關(guān)導(dǎo)通時磁鏈平穩(wěn)增加。

與磁鏈的仿真結(jié)果類似，圖8 所示的電流仿真曲線在整個過程中，基于半橋型功率變換電路的驅(qū)動系統(tǒng)在電流上升時有小幅度的波動，并且在穩(wěn)定運行階段電流峰值不穩(wěn)定;基于新型功率變換電路的驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定運行時有較為穩(wěn)定的電流峰值，且電流增大時響應(yīng)速度快，無前期的波動變化。

圖9 顯示了轉(zhuǎn)矩變化的仿真曲線，在啟動階段兩種不同功率變換電路的驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩變化曲線基本一致。相比于半橋型功率變換電路驅(qū)動系統(tǒng)，基于新型功率變換電路驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動幅度稍小并且幅值穩(wěn)定。

4 結(jié) 語

從本文的結(jié)果中可以看出，應(yīng)用新型功率變化電路時，能明顯抑制電機繞組換相時磁鏈、電流在上升時的波動，并且電流、轉(zhuǎn)矩更快地降低趨于穩(wěn)定運行狀態(tài);在穩(wěn)定運行階段電流變化峰值更為穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩脈動幅度更小，幅值穩(wěn)定。但同時新型的功率變換電路多用了開關(guān)器件，增加了成本。

本文提出的新型功率變電路主要是實現(xiàn)繞組主開關(guān)的軟開關(guān)，通過進行Matlab/Simulink 開關(guān)磁阻電機仿真驅(qū)動系統(tǒng)運行得到的實驗結(jié)果與理論分析吻合，從而驗證了功率變換電路設(shè)計的有效性和合理性。