高功率因數(shù)的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

于仲安，葛庭宇，梁建偉

（江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，贛州 341000）

0 引言

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展而得到迅速發(fā)展，逐漸成為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備中的重要組成部分。它們具有效率高，轉(zhuǎn)矩慣量比大，能量密度高，維護(hù)要求低，速度控制范圍寬等特點(diǎn)[1,2]。BLDCM以電子換相器取代了直流電機(jī)中的機(jī)械換相器和電刷，避免了機(jī)械接觸，沒(méi)有換相火花，具有壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)[3,4]。BLDCM由單相交流電源通過(guò)二極管整流橋（DBR）供電，然后通過(guò)直流電路上的電容供電。由于直流母線電容的不受控制的充電，會(huì)導(dǎo)致高度失真的輸入電流，這會(huì)超過(guò)國(guó)際電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（如IEC-61000-3-2）[5]。因此，使用一個(gè)功率因數(shù)校正（PFC）變換器提高BLDCM輸入交流電源的效率是很有必要的。PFC變換器有連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）和不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）兩種基本工作模式，在實(shí)踐中被廣泛使用[6]。在CCM或DCM中，PFC變換器的電感電流或PFC變換器中間電容兩端電壓分別在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)保持連續(xù)或不連續(xù)。在CCM中工作的PFC變換器，需要兩個(gè)電壓和一個(gè)電流傳感器，而在DCM中工作的PFC轉(zhuǎn)換器只需單個(gè)電壓傳感器作為控制信號(hào)源，但在DCM中工作的PFC變換器開(kāi)關(guān)上的應(yīng)力相對(duì)于其在CCM中的操作相對(duì)較高[7]。

有學(xué)者提出了一種PFC升壓變換器，用于基于直接變矩控制（DTC）的BLDCM驅(qū)動(dòng)器，但其需要用于DTC控制的更多數(shù)量的傳感器，在電壓源逆變器（VSI）中具有更高的開(kāi)關(guān)損耗并且增加了控制電路的復(fù)雜性[8]。文獻(xiàn)[9]中提出了一種使用單端初級(jí)電感變換器（SEPIC）的PFC變換器，SEPIC變換器BLDCM驅(qū)動(dòng)器利用PWM控制的電壓源逆變器來(lái)控制BLDCM的速度，但有較高開(kāi)關(guān)頻率的損耗。有學(xué)者提出一種在CCM中工作的PFC Cuk變換器，但是它需要三個(gè)傳感器用于直流電路電壓控制和PFC，該電路結(jié)構(gòu)適用于高功率應(yīng)用[10]。

本文提出一種運(yùn)行在不連續(xù)電感電流模式（DICM）中的無(wú)橋Cuk變換器BLDCM驅(qū)動(dòng)器，提高了電路的功率因數(shù)和電源設(shè)備的電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的有效控制。該驅(qū)動(dòng)器是低成本驅(qū)動(dòng)器，適合于低功率和中等功率的應(yīng)用，不需要精確的速度控制?？照{(diào)系統(tǒng)、制冷、泵、醫(yī)療設(shè)備和各種其他工業(yè)工具等應(yīng)用需要這種類型的驅(qū)動(dòng)。文中詳細(xì)分析了驅(qū)動(dòng)器的工作原理、參數(shù)設(shè)計(jì)和控制方法，仿真結(jié)果證明了所提驅(qū)動(dòng)器的有效性與正確性。

1 無(wú)橋Cuk變換器的BLDCM驅(qū)動(dòng)器

本文提出的無(wú)橋Cuk變換器BLDCM驅(qū)動(dòng)器，如圖1所示。無(wú)刷直流電機(jī)的速度控制是通過(guò)使用單個(gè)電壓傳感器控制VSI的直流電壓，通過(guò)BLDCM的電子換向技術(shù)來(lái)降低電壓源逆變器的開(kāi)關(guān)損耗。由于沒(méi)有二極管整流橋，變換器在二極管中的傳導(dǎo)損耗較低，以實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)高效率運(yùn)行。

圖1 無(wú)橋Cuk變換器無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

無(wú)橋Cuk變換器工作在不連續(xù)電感電流模式（DICM）用于功率因數(shù)校正和電壓控制。通過(guò)單周期控制策略使得無(wú)橋Cuk變換器在較寬的速度控制范圍內(nèi)保持較高的功率因數(shù)，并降低輸入電流總諧波畸變。

無(wú)橋Cuk變換器正、負(fù)半周期的運(yùn)行電路分別如圖2所示。如圖2(a)所示，在電源電壓的正半周時(shí)，開(kāi)關(guān)Sw通過(guò)L1和DP導(dǎo)通電路L1-Sw-C1-L0-D0通過(guò)二極管DN，二極管DN將輸入交流電源連接到輸出。類似地，在電源電壓的負(fù)半周時(shí)，開(kāi)關(guān)Sw通過(guò)L2和DN導(dǎo)通電路L2-D2-Sw-C2-L0-D0通過(guò)二極管DP，二極管DP將輸入交流電源連接到輸出。另外，圖2所示輸出電壓總是通過(guò)二極管DP和DN直接連接到輸入交流線路，因此，所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不受共模電磁干擾噪聲發(fā)射問(wèn)題的影響。

2 無(wú)橋Cuk變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)

在DICM中工作的一個(gè)無(wú)橋Cuk變換器，具有寬電壓變換比的功率因數(shù)調(diào)節(jié)的功能。在這種模式下，輸入電感（L1和L2）和中間電容（C1和C2）設(shè)計(jì)為連續(xù)工作，輸出電感（L0）中的電流在完整的開(kāi)關(guān)周期內(nèi)變得不連續(xù)。對(duì)于220V的電源電壓（Vac），輸入平均電壓Vinav為：

圖2 無(wú)橋Cuk 變換器工作狀態(tài)

該無(wú)橋Cuk變換器設(shè)計(jì)用于70V（Vdcmin）～310V（Vdcmax）的直流輸出電壓控制，標(biāo)稱值的直流輸出電壓為190V（Vdcdes）。對(duì)于作為升降壓的Cuk變換器的占空比d由下式給出：

因此，使式(2)分別計(jì)算對(duì)應(yīng)于Vdcdes，Vdcmax和Vdcmin的占空比d，最大（dmax）和最?。╠min）的占空比分別為0.4897，0.6103和0.2612。

在DICM中，為了有效控制，所選用的占空比（dnom）小于ddes，因此dnom取為0.2。

如果在兩個(gè)電感L1和L2中允許紋波電流的量是ΔiL（Iin的30%，其中Iin=2P/Vin=3.215A），則L1和L2的值被表示為：

其中Vm是電源電壓的峰值（即），TS是開(kāi)關(guān)周期（即1/fs，其中fS是開(kāi)關(guān)頻率=20kHz）。

因此，電感L1和L2選擇3mH的值。臨界臨界傳導(dǎo)參數(shù)Kacrit被給出為：

其中M=Vdc/Vm，n是隔離式變換器的匝數(shù)比，當(dāng)n=1時(shí)表示非隔離式變換器。

現(xiàn)在，DICM中操作的傳導(dǎo)參數(shù)Ka為：

為了在DICM中進(jìn)行有效的控制，Ka的值約為Ka（critical）的2/3。所以Ka取0.13。

現(xiàn)在，等效電感Leq被計(jì)算為：

其中R0是等效的負(fù)載電阻。

現(xiàn)在輸出端電感值L0給出為：

因此，確保達(dá)到DICM條件L0的值選擇100μ H。

電容器C1和C2的電容由下式給出：

直流母線電容C0由下式給出：

其中I0是直流母線電流，ω是線路頻率，ΔV0是在直流母線電容器中允許的紋波電壓，取直流母線電壓的1%。

3 無(wú)橋Cuk變換器BLDCM的控制策略

3.1 無(wú)橋Cuk 變換器的控制策略

無(wú)橋Cuk變換器的控制策略用于產(chǎn)生用于開(kāi)關(guān)Sw的PWM信號(hào)以保持VSI的期望的直流電壓。該變換器設(shè)計(jì)用于DICM工作，實(shí)現(xiàn)了固有的功率因數(shù)校正。電壓跟隨器用于實(shí)現(xiàn)此PFC操作。無(wú)橋Cuk變換器BLDCM驅(qū)動(dòng)的控制策略包括參考電壓發(fā)生器，電壓誤差發(fā)生器，電壓控制器和PWM發(fā)生器，其控制原理圖如圖5所示。

3.1.1 參考電壓發(fā)生器

將參考直流電壓Vdc*通過(guò)將參考速度N*與電機(jī)的電壓常數(shù)kv相乘，從參考速度生成參考直流母線電壓為：

3.1.2 電壓誤差發(fā)生器

將參考直流電壓Vdc*與檢測(cè)到的Cuk變換器的輸出電壓Vdc進(jìn)行比較以生成電壓誤差信號(hào)Ve。該誤差電壓將被用于控制動(dòng)作的電壓PI控制器。誤差電壓Ve表示為：

3.1.3 電壓控制器

直流電壓控制器是比例積分（PI）控制器，其根據(jù)電壓誤差Ve產(chǎn)生受控輸出Vc。在任何時(shí)刻k的控制器輸出Vc被給出為：

其中Kp和Ki分別表示電壓控制器的比例增益和積分增益。

3.1.4 單周期控制器

由直流電壓控制器得到Vc經(jīng)過(guò)復(fù)位開(kāi)關(guān)、積分器、觸發(fā)電路和比較器使得PWM控制信號(hào)。單周期控制的電路能在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)消除誤差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，也更易于實(shí)現(xiàn)，單周控制的控制方程為[11]。

其中L1輸入電感，Vac為交流輸入電壓，Ts為開(kāi)關(guān)周期，D1為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)占空比，a是一個(gè)常數(shù)。

3.2 直流無(wú)刷電機(jī)控制策略

無(wú)刷直流電機(jī)的電壓源逆變器的開(kāi)關(guān)切換順序是按照霍爾位置傳感器檢測(cè)到的BLDCM的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換?；魻栁恢脗鞲衅饔糜跈z測(cè)60°范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置，這是BLDCM的電子換向所需要的。兩個(gè)開(kāi)關(guān)（S2和S3）的導(dǎo)通狀態(tài)如圖6所示。線電流iab從直流電路電容中得到，直流電路電容的大小取決于施加的直流電路電壓（Vdc），反向電動(dòng)勢(shì)（ean和ebn）和電阻（Ra和Rb）以及定子繞組的自感和互感（La，Lb和M）。IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷條件分別表示為“1”或“0”。表1列出了轉(zhuǎn)子不同位置的電壓源逆變器的開(kāi)關(guān)的切換順序和相應(yīng)的相電壓。

圖3 無(wú)橋Cuk控制原理圖

圖4 電壓源逆變器的BLDCM原理圖

4 仿真驗(yàn)證

為了對(duì)提出的無(wú)橋Cuk變換器BLDCM的工作原理進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)前面分析的電路元件參數(shù)設(shè)計(jì)，用MATLAB/ Simulink對(duì)所研究電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。無(wú)橋Cuk變換器BLDCM的性能是根據(jù)電源電流的總諧波畸變（THD），功率因數(shù)（PF）等功率指標(biāo)評(píng)估的。如圖5(a)所示，無(wú)橋Cuk變換器的輸入電壓和輸入電流是同頻同相，實(shí)現(xiàn)功率校正的目的，并且輸入電流波紋很小，THD=5.29%，PF=99.8%。因此，無(wú)橋Cuk變換器提高驅(qū)動(dòng)器的功率因數(shù)。圖5(b)是無(wú)橋Cuk變換器的輸出電壓一直穩(wěn)定在260V，這樣就能給無(wú)刷直流電機(jī)提供穩(wěn)定恒定輸入電壓。圖5(c)是BLDCM的轉(zhuǎn)速基本恒定且可達(dá)到1700r/min。圖5(d)是無(wú)刷直流電機(jī)a相的相電流波形。圖5(e)是BLDCM的電磁轉(zhuǎn)矩，其值達(dá)到3.5Nm。圖5(f)是無(wú)刷直流電機(jī)a相EMF的波形。由此，可以看出該驅(qū)動(dòng)器使用較少數(shù)量的傳感器的處理器的簡(jiǎn)單控制方案來(lái)降低驅(qū)動(dòng)器的成本，適合于低功率和中等功率的應(yīng)用。

表1 實(shí)現(xiàn)霍爾效應(yīng)位置信號(hào)的BLDCM電子換向的開(kāi)關(guān)狀態(tài)

圖5 無(wú)橋Cuk變換器BLDCM的仿真波形

圖6顯示了額定電壓下的電源電流及其諧波頻譜。當(dāng)額定電壓遠(yuǎn)低于IEC 61000-3-2建議的功率質(zhì)量限值時(shí)，可獲得5.29%的THD和99.8%的功率因數(shù)。此外，提出的驅(qū)動(dòng)器方案的性能也通過(guò)改變電源電壓來(lái)驗(yàn)證，以證明實(shí)際電源電壓下驅(qū)動(dòng)器的性能。表2顯示了驅(qū)動(dòng)器在190～240V范圍內(nèi)變化的電源電壓的性能指標(biāo)，表明驅(qū)動(dòng)器的電源設(shè)備有較高的電源質(zhì)量。

圖6 額定電壓下的電源電流及其諧波頻譜

表2 在不同輸入電壓下的無(wú)橋Cuk變換器BLDCM驅(qū)動(dòng)的性能指標(biāo)

5 結(jié)論

本文提出了一種適用于逆變技術(shù)的空調(diào)應(yīng)用的無(wú)橋Cuk轉(zhuǎn)換器的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。逆變器技術(shù)是空調(diào)壓縮機(jī)電機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展，在空調(diào)系統(tǒng)中使用逆變器來(lái)控制壓縮機(jī)電機(jī)的速度，以便連續(xù)調(diào)節(jié)溫度。在該驅(qū)動(dòng)器中，使用以不連續(xù)電感器電流模式（DICM）工作的無(wú)橋Cuk轉(zhuǎn)換器提高功率因數(shù)并提高交流電源的電能質(zhì)量。該無(wú)橋變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于以最少的元件數(shù)量獲得低傳導(dǎo)損耗，電壓源逆變器的可變直流電路電壓（VSI）正在為其BLDCM進(jìn)行速度控制。無(wú)橋Cuk轉(zhuǎn)換器是為了消除二極管整流橋（DBR）以減少其中的傳導(dǎo)損耗。它的性能主要適用于空調(diào)系統(tǒng)對(duì)有效速度控制下運(yùn)行，并提高了交流電源的功率因數(shù)。