基于開關磁阻電機系統(tǒng)的功率變換器設計

0 引 言

開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)(SRD)是由電力電子技術、控制技術及計算機技術與傳統(tǒng)磁阻電機相結合，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。功率變換器拓撲結構的不同主要表現(xiàn)在電機繞組回饋能量方式的差異上。本文將以開關磁阻電機功率變換器為研究對象。

1 開關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)導通時間或是在幾個周期內(nèi)調(diào)節(jié)若干個連續(xù)導通或關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，以開關方式工作的電力電子器件是開關磁阻電機功率變換電路的基礎及核心。目前，較常用的功率開關器件主要有以下幾種：晶閘管(SCR)、雙極型功率晶體管(GTR)、可關斷晶閘管(GTO)、功率場效應晶體管(Power MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。本文中選擇開關磁阻電機功率變換電路都是以IGBT 為主開關器件。

1.2 功率變換器的拓撲結構

功率變換器是開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的重要組成部分，其拓撲結構具有多種形式，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 功率變換器的設計

2.1 新型功率變換電路的結構特點

新型功率變換器主電路的拓撲結構如圖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;D1 ~ D6 為各相繞組的續(xù)流二極管;虛線框Ⅰ以內(nèi)的執(zhí)行軟開關輔助電路由諧振電感Lr,諧振電容Cr,輔助開關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：電路中加入軟開關輔助電路，只要適時控制輔助開關Sch、Sdis 的通斷，則可實現(xiàn)主開關的軟開啟和軟關斷;與主開關并聯(lián)的RCD 緩沖電路，因電容電壓不能突變，可抑制IGBT 關斷時的過電壓，同時可緩解導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S2 的一個開關周期分為充電、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 零電流開關條件下導通，Cr 通過電感Lr 充電，通過1/2 個諧振周期至t1 時結束。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 導通，idis=0,負載電流依次通過D1、Dfr 和S1.t6 時刻后，Sdis 關斷，idis=0.

開關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 的導通時刻，可以在這三個控制策略上實現(xiàn)主開關的軟開啟與軟關斷。

3 開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)仿真研究

3.1 仿真結構圖

圖5 所示為通用開關磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)仿真結構圖。

設置電機參數(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構和新型功率變換電路的仿真結構。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)中繞組開關導通時相磁鏈增大，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，開關導通時磁鏈平穩(wěn)增加。

與磁鏈的仿真結果類似，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 語

從本文的結果中可以看出，應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)繞組主開關的軟開關，通過進行Matlab/Simulink 開關磁阻電機仿真驅(qū)動系統(tǒng)運行得到的實驗結果與理論分析吻合，從而驗證了功率變換電路設計的有效性和合理性。