新型開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器

徐秋芳，張京軍，張海軍，高瑞貞

(1.河北工程大學(xué)信電學(xué)院，河北邯鄲056038;2.河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北邯鄲056038;3.河北工程大學(xué) 水電學(xué)院，河北邯鄲056021)

開關(guān)磁阻電機(jī)(switched reluctance motor，SRM)結(jié)構(gòu)簡單、堅固、可靠性強使其逐漸受到廣泛重視。SRM調(diào)速系統(tǒng)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，具有調(diào)速范圍寬和系統(tǒng)效率高等優(yōu)點。其重要組成部分功率變換器是驅(qū)動SRM的電路裝置，對整個系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵的作用，應(yīng)滿足與電動機(jī)結(jié)構(gòu)匹配、高效率、控制方便、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等基本要求［1－7］。隨著電力電子器件的快速發(fā)展，功率變換器也有了迅速發(fā)展的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)［8］提出了一種不對稱半橋型功率變換器電路模型，其控制方法靈活穩(wěn)定性高，但需要元件數(shù)量較多，成本高。文獻(xiàn)［9］在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，減少元件使用數(shù)量，提出用N+1個開關(guān)控制的功率變換器電路模型。文獻(xiàn)［10］設(shè)計了用一個開關(guān)控制的功率變換器電路模型，雖然在最大程度上減少開關(guān)使用數(shù)量，但其運行穩(wěn)定性不理想。文獻(xiàn)［11］設(shè)計一種雙電源每相單管開關(guān)的開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器，有效的降低成本，有良好的可行性。文獻(xiàn)［12］以公共開關(guān)型功率變換器為研究對象，為解決系統(tǒng)重載和高速運轉(zhuǎn)時調(diào)速性能的下降，設(shè)計了幾種新型的功率變換器，加快了繞組的放電過程，改善了系統(tǒng)的調(diào)速性能。本文針對目前功率變換器存在的問題，設(shè)計了一種成本低、穩(wěn)定性好的含諧振電路的新型功率變換器，并利用Matlab進(jìn)行了建模和仿真實驗。通過和經(jīng)典功率變換器的仿真結(jié)果比較，驗證了本文設(shè)計的功率變換器的有效性。

1 經(jīng)典功率變換器主電路拓?fù)?/h2>

1.1 不對稱半橋型

不對稱半橋型功率變換器控制方式簡單靈活，可靠性高［13］。在SRM的功率變換器中，不對稱半橋型功率變換器應(yīng)用最為廣泛，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

在不對稱半橋型功率變換器中，每一相繞組都需要兩個功率開關(guān)管T1和T2，兩個功率二極管D1和D2。以第一相為例，當(dāng)T1和T2同時閉合時，繞組A得電;當(dāng)T1和T2同時斷開后，繞組A通過D1和D2回饋電能。若出現(xiàn)兩相同時工作的情況，由于各相互為獨立結(jié)構(gòu)，互不影響，穩(wěn)定性高。由于此類型功率變換器所需元件數(shù)多，成本較高，主要適用于相數(shù)少、功率大、電壓高的SRM。

1.2 公共開關(guān)型

為了保持高效率，又盡量減少器件的使用數(shù)量，在不對稱半橋型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)得到公共開關(guān)型功率變換器［14－15］，如圖2所示。公共開關(guān)型功率變換器最主要的特點是有一個公共開關(guān)T0。以A相為例，當(dāng)T0和T1同時閉合時，A相導(dǎo)通;T1斷開，T0導(dǎo)通時，繞組A與D1和T0形成通路電流自由衰減;當(dāng)T0和T1同時斷開時，繞組A經(jīng)過D1和D0回饋能量至電源。

公共開關(guān)型功率變換器幾乎保留了橋式電路的優(yōu)點，但作為公共開關(guān)的功率開關(guān)管，流經(jīng)各相電流，其功率大，容易損壞。另外，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，導(dǎo)通區(qū)域發(fā)生重疊，使得公共開關(guān)持續(xù)開通，繞組無法通過二極管回饋能量，造成電流激增，轉(zhuǎn)矩脈動變大。因此公共開關(guān)型功率變換器適用于小功率、低轉(zhuǎn)速的SRM。

2 新型功率變換器

2.1 新型功率變換器簡介

如今，不對稱半橋型功率變換器是SRM功率變換器的標(biāo)準(zhǔn)。其控制模式靈活，穩(wěn)定性高，然而其所需功率元件多、成本過高，限制了SRM的進(jìn)一步應(yīng)用。通過分析現(xiàn)有的功率變換器，本文設(shè)計了每相僅需一個功率開關(guān)管和一個功率二極管的新型功率變換器，如圖3所示。

如圖可以看出每一相繞組都由一個功率開關(guān)管控制，在繞組以及電感之間有一個功率二極管，用于提供繞組釋放能量傳輸路徑。繞組右側(cè)由電阻、電感和電容組成串聯(lián)諧振電路，當(dāng)電路接近諧振時，電容電壓會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電源電壓，提供較大的反向電壓使繞組電流迅速下降。

2.2 運行原理

新型的功率變換器主要利用諧振電路的特點，來實現(xiàn)對繞組電流的有效控制。

對于任何含有電感和電容而不含獨立源的二端網(wǎng)絡(luò)，在一定頻率下，端口電壓與端口電流相位相同，即電路呈現(xiàn)電阻性，這種工作狀態(tài)稱作諧振［15－16］。諧振條件為

式中ω0－串聯(lián)諧振電路的諧振角頻率;f0－諧振頻率。

諧振時各元件的電壓向量為

式中Q－諧振電路的品質(zhì)因數(shù);U－電源電壓。

如圖4所示，當(dāng)電路頻率ω＜ω0時，電容電壓始終大于電源電壓，當(dāng)ω接近ω0產(chǎn)生諧振時，電感和電容電壓有效值為UL=UC=QU，當(dāng)Q?1時，電容的電壓會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電源電壓。當(dāng)續(xù)流時，加在繞組兩端的反向電壓絕對值為QU?U，而傳統(tǒng)的不對稱半橋型功率變換器繞組兩端的續(xù)流電壓絕對值為U，其續(xù)流電流對比圖如圖5所示(采用的是6/4極，240V開關(guān)磁阻電機(jī)，在導(dǎo)通角為45°關(guān)斷角75°，轉(zhuǎn)速n=5 000 r/min時的仿真曲線)?？梢钥闯鲂滦凸β首儞Q器的續(xù)流時間較短，較高的反向電壓加快了繞組的放電過程，當(dāng)PWM占空比較大時，快速的放電過程有利于消除續(xù)流時間過長導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩死區(qū)，并減少負(fù)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生降低轉(zhuǎn)矩脈動。續(xù)流的加快使得系統(tǒng)在不產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩的情況下繞組可以相對增加關(guān)斷角，從而延長相繞組電流維持最大的時間，增加了系統(tǒng)的輸出功率，提高運轉(zhuǎn)效率。

新型功率變換器共有四種運行模式，如圖6所示。本文主要以A相繞組為例簡要介紹新型功率變換器的四種運行模式:

當(dāng)θ≥θon時，T1閉合，繞組A得電，電流上升，如圖6(a)所示。

當(dāng)θ=θoff時，T1關(guān)斷，繞組A通過功率二極管給電容迅速充電，電容兩端電壓迅速升高，提高A點電位，如圖6(b)所示。

當(dāng)θ＞θoff時，繞組A通過功率二極管使電阻消耗繞組中剩余能量，較大的反向電壓使繞組電流迅速降低，如圖6(c)所示。

當(dāng)繞組電流下降至0時，功率二極管關(guān)斷，電容中剩余能量回饋電源，如圖6(d)所示。

當(dāng)初始條件繞組電流為0時，各模式的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示，電流電壓在圖6(a)中標(biāo)注，電流標(biāo)注方向為正:

1)UA=U;I=IA在運行期間，由于電感在電路中緩沖電流變化，電感中還有剩余電流回饋電源，總電流I=IA－IRL，其中IRL為電感中剩余緩沖電流。

2.3 元件選取標(biāo)準(zhǔn)

通過功率變換器的運行原理可知，新型功率變換器主要由串聯(lián)諧振電路構(gòu)成。根據(jù)SRM的工作原理可知，各個繞組依次供電形成一個與轉(zhuǎn)速成正比的通電頻率為諧振的形成提供基礎(chǔ)。其中一相繞組的通電頻率為

式中Nr－轉(zhuǎn)子齒數(shù);n－轉(zhuǎn)速。

由電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和電機(jī)參數(shù)計算出繞組通電頻率，即諧振電路通電頻率f0。為達(dá)到良好的運行狀態(tài)，令繞組通電頻率f公式略小于諧振頻率f0，根據(jù)式(3)和式(7)計算所需的電感及電容規(guī)格。

3 仿真及結(jié)果分析

為更直觀觀測功率變換器的性能，本系統(tǒng)采用直流斬波控制最大電流200A，并且輕載運行。電機(jī)本體利用MATLAB/Simulink模塊建立，選用6/4極，240V開關(guān)磁阻電機(jī)。功率變換器環(huán)節(jié)直接采用SimPowerSystems模塊搭建。各功率變換器開關(guān)器件統(tǒng)一采用絕緣柵雙極晶體管(Insulated－Gate Bipolar Transistor，IGBT)。新型功率變換器參數(shù)設(shè)置如下:電阻R為10Ω，電感L為1e－4H，電容C為1e－4F，其控制圖如圖7所示。

圖8－圖10分別顯示了不對稱半橋型(圖8)、公共開關(guān)型(圖9)以及新型功率變化器(圖10)在本系統(tǒng)中搭載運行，啟動到0.4s時轉(zhuǎn)矩、相電流、速度的仿真圖形，其中導(dǎo)通角θon=35°，關(guān)斷角 θoff=75°。

根據(jù)各仿真結(jié)果圖可以看出，使用不對稱半橋型功率變換器，轉(zhuǎn)矩脈動幅值47.43 N·m(7.113 N·m —54.54 N·m)，轉(zhuǎn)矩平均值為25.31 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動為1.87(轉(zhuǎn)矩脈動=轉(zhuǎn)矩脈動幅值/轉(zhuǎn)矩平均值)。轉(zhuǎn)矩脈動較小，電流波形穩(wěn)定，但此變換器每一相都需要兩個開關(guān)管控制，成本較高。

當(dāng)使用公共開關(guān)型功率變換器時，轉(zhuǎn)矩脈動幅值168.2 N·m(－41.24 N·m—126.9 N·m)，轉(zhuǎn)矩平均值41.03 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動為4.10，轉(zhuǎn)矩脈動較大且電流波形不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生較大噪聲。在運行過程中可以看出產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩，使得整個系統(tǒng)的效率降低。雖然公共開關(guān)型功率變換器使用較少的功率開關(guān)節(jié)約成本，但性能較弱。

使用新型功率變換器時，轉(zhuǎn)矩脈動幅值36.5 N·m(18.29 N·m—36.93 N·m)，轉(zhuǎn)矩平均值36.93 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動為 0.99，轉(zhuǎn)矩脈動小，電流波形較為穩(wěn)定。根據(jù)圖11可以看出，相同的仿真時間，新型功率變換器提速最快，效率較高。

根據(jù)仿真結(jié)果，各功率變換器主要性能對比如表1所示。

表1功率變換器性能對比表Tab.1 Performance comparison of each converter

根據(jù)表格可以看出，新型功率變換器使用最少的功率開關(guān)管，使開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動最小，電流穩(wěn)定性高，并且提高了效率。

4 結(jié)論

新型功率變換器轉(zhuǎn)矩脈動較小，電流穩(wěn)定，效率高，并且所需的功率管個數(shù)最少，達(dá)到了高效節(jié)能目的。

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