基于開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的功率變換器設(shè)計(jì)

0 引 言

開關(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)展起來的新型無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。功率變換器是開關(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。本文將以開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器為研究對(duì)象。

1 開關(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，以開關(guān)方式工作的電力電子器件是開關(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(Power MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。本文中選擇開關(guān)磁阻電機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

功率變換器是開關(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(diǎn)：電路中加入軟開關(guān)輔助電路，只要適時(shí)控制輔助開關(guān)Sch、Sdis 的通斷，則可實(shí)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(shí)的過電壓，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。其中主開關(guān)S2 的一個(gè)開關(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 零電流開關(guān)條件下導(dǎo)通，Cr 通過電感Lr 充電，通過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，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(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 開啟， 電容Cr 通過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D1、Dfr 和S1.t6 時(shí)刻后，Sdis 關(guān)斷，idis=0.

開關(guān)磁阻電機(jī)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(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)主開關(guān)的軟開啟與軟關(guān)斷。

3 開關(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240 V,定子電阻為0.05 Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)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(hào)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(duì)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(dòng)系統(tǒng)中繞組開關(guān)導(dǎo)通時(shí)相磁鏈增大，無論啟動(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)，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)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(gè)過程中，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，無前期的波動(dòng)變化。

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。

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)繞組主開關(guān)的軟開關(guān)，通過進(jìn)行Matlab/Simulink 開關(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。