開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器設(shè)計(jì)

引言

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（SRD）是由電力電子技術(shù)、控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)磁阻電機(jī)相結(jié)合，發(fā)展起來(lái)的新型無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。功率變換器是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，在電機(jī)成本中占有很大比重，其性能的好壞將直接影響到電機(jī)的工作效率和可靠性。功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同主要表現(xiàn)在電機(jī)繞組回饋能量方式的差異上。本文將以開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器為研究對(duì)象。

1開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率變換電路

1.1功率變換器簡(jiǎn)介

功率變換器調(diào)節(jié)不同的負(fù)載處于額定功率運(yùn)行，同時(shí)也有不受電網(wǎng)波動(dòng)影響的作用。功率變換器是通過(guò)電力電子裝置進(jìn)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(gè)周期內(nèi)調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間或是在幾個(gè)周期內(nèi)調(diào)節(jié)若干個(gè)連續(xù)導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間來(lái)改變電機(jī)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(yùn)用廣泛，以開(kāi)關(guān)方式工作的電力電子器件是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率變換電路的基礎(chǔ)及核心。目前，較常用的功率開(kāi)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。本文中選擇開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)功率變換電路都是以IGBT為主開(kāi)關(guān)器件。

1.2功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

功率變換器是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有多種形式，區(qū)別主要在于回收繞組釋放磁場(chǎng)能量的方法不同。圖1所示是一種不對(duì)稱(chēng)半橋式功率變換電路。

2功率變換器的設(shè)計(jì)

2.1新型功率變換電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新型功率變換器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中虛線框Ⅰ、Ⅱ以外是典型的不對(duì)稱(chēng)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(kāi)關(guān)；D1～D6為各相繞組的續(xù)流二極管；虛線框Ⅰ以?xún)?nèi)的執(zhí)行軟開(kāi)關(guān)輔助電路由諧振電感Lr，諧振電容Cr，輔助開(kāi)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(kāi)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(diǎn)：電路中加入軟開(kāi)關(guān)輔助電路，只要適時(shí)控制輔助開(kāi)關(guān)Sch、Sdis的通斷，則可實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)啟和軟關(guān)斷；與主開(kāi)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(shí)的過(guò)電壓，同時(shí)可緩解導(dǎo)通時(shí)繞組磁鏈的波動(dòng)。

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(jìn)后的電路基本運(yùn)行圖如圖3所示，圖4顯示了電路的基本波形。其中主開(kāi)關(guān)S2的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期分為充電、PWM調(diào)制和放電三個(gè)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(shí)刻，Dch零電流開(kāi)關(guān)條件下導(dǎo)通，Cr通過(guò)電感Lr充電，通過(guò)1/2個(gè)諧振周期至t1時(shí)結(jié)束。由于Dch單向?qū)щ娦?，t1時(shí)刻之后ich=0，在t2時(shí)刻Sch在零電流條件關(guān)斷。在t0時(shí)Sch打開(kāi)，直流環(huán)節(jié)電壓下降到零，于此，S2在零電壓下打開(kāi)。

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

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

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制策略一般分為三類(lèi)，即脈寬調(diào)制（PWM）、角度位置控制（APC）和直流斬波控制（CCC）。適時(shí)控制Sch的導(dǎo)通時(shí)刻，可以在這三個(gè)控制策略上實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)啟與軟關(guān)斷。

3開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真研究

3.1仿真結(jié)構(gòu)圖

圖5所示為通用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖。設(shè)置電機(jī)參數(shù)為：相電壓為240V,定子電阻為0.05Q,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.05kg-m2,摩擦系數(shù)0.02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(hào)輸入控制單元，控制開(kāi)通角40°關(guān)斷角75°

圖6(a)、(b)分別為不對(duì)稱(chēng)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。

(a)不對(duì)稱(chēng)半橋式功率變換電路仿真結(jié)構(gòu)

圖6功率變換電路仿真結(jié)構(gòu)

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(dòng)系統(tǒng)中繞組開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)相磁鏈增大，無(wú)論啟動(dòng)階段還是穩(wěn)定運(yùn)行階段，磁鏈增大時(shí)都有較小幅度的波動(dòng)，這不利于電機(jī)轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)；而基于新型功率變換電路的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)克服了這一缺點(diǎn)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)磁鏈平穩(wěn)增加。

圖7磁鏈比較圖形

與磁鏈的仿真結(jié)果類(lèi)似，圖8所示的電流仿真曲線在整個(gè)過(guò)程中，基于半橋型功率變換電路的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在電流上升時(shí)有小幅度的波動(dòng)，并且在穩(wěn)定運(yùn)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(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)有較為穩(wěn)定的電流峰值，且電流增大時(shí)響應(yīng)速度快，無(wú)前期的波動(dòng)變化。

圖8電流比較圖形

圖9顯示了轉(zhuǎn)矩變化的仿真曲線，在啟動(dòng)階段兩種不同功率變換電路的驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)，基于新型功率變換電路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)幅度稍小并且幅值穩(wěn)定。

圖9轉(zhuǎn)矩比較圖形

4結(jié)語(yǔ)

從本文的結(jié)果中可以看出，應(yīng)用新型功率變化電路時(shí)，能明顯抑制電機(jī)繞組換相時(shí)磁鏈、電流在上升時(shí)的波動(dòng)，并且電流、轉(zhuǎn)矩更快地降低趨于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；在穩(wěn)定運(yùn)行階段電流變化峰值更為穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅度更小，幅值穩(wěn)定。但同時(shí)新型的功率變換電路多用了開(kāi)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(shí)現(xiàn)繞組主開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)，通過(guò)進(jìn)行Matlab/Simulink開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)仿真驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合，從而驗(yàn)證了功率變換電路設(shè)計(jì)的有效性和合理性。

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