開關(guān)磁阻電機新型功率變換器的研究與設(shè)計

甘 醇

(中國礦業(yè)大學信電學院，江蘇徐州 221008)

0 引言

開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)(Switched Reluctance Drive，SRD)是20世紀80年代迅猛發(fā)展起來的一種新型調(diào)速電機驅(qū)動系統(tǒng)，其以結(jié)構(gòu)堅固、調(diào)速范圍寬、調(diào)速性能優(yōu)異，而且在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率，系統(tǒng)可靠性高等特點，成為各國研究和開發(fā)的熱點之一［1－7］。開關(guān)磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)是通過各相繞組依次通電拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因此SRM的轉(zhuǎn)動嚴格依賴各相繞組的開通與關(guān)斷。SRD中為了實現(xiàn)各相繞組的開通與關(guān)斷，離不開特定的功率變換器。功率變換器是SRM運行時所需能量的供給者，是系統(tǒng)的中樞執(zhí)行機構(gòu)。在整個SRD成本中，功率變換器占有很大的比重，合理選擇和設(shè)計功率變換器是提高 SRD性價比的關(guān)鍵之一［8］。功率變換器主電路形式的選取直接影響SRM的調(diào)速性能、轉(zhuǎn)矩脈動等。

本文以公共開關(guān)型功率變換器為研究對象，分析了公共開關(guān)型功率變換器的優(yōu)缺點。為解決系統(tǒng)重載和高速運轉(zhuǎn)時調(diào)速性能的下降，本文設(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。

1 公共開關(guān)型功率變換器分析

主電路設(shè)計是SRM功率變換器設(shè)計的關(guān)鍵之一，目前應(yīng)用最多的功率變換器主要為不對稱半橋型和公共開關(guān)型。公共開關(guān)型功率變換器主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 公共開關(guān)型功率變換器主電路

S1、S2、S3為位置導(dǎo)通管，三相共用一個公共開關(guān)管S，公共開關(guān)管對供電相實施斬波控制。當S與S1同時導(dǎo)通時，電源向A相繞組供電;當S1導(dǎo)通、S關(guān)斷時，A相電流經(jīng)VD續(xù)流;當S和S1都關(guān)斷時，電源通過VD和VD1反加于A相繞組兩端，實現(xiàn)強迫續(xù)流換相;當 S導(dǎo)通，S1關(guān)斷時，相電流將經(jīng)VD1續(xù)流，因A相繞組兩端不存在與電源供電電壓反極性的換相電壓，不利于實現(xiàn)強迫換相。具有公共開關(guān)器件的功率變換器主電路有一只公共開關(guān)管在任一相導(dǎo)通時均開通，一只公共續(xù)流二極管在任一相續(xù)流時均參與續(xù)流。該電路所需的開關(guān)器件和二極管數(shù)量較傳統(tǒng)的不對稱半橋式功率變換器電路大大減少，其造價明顯降低。

SRM續(xù)流階段的性能直接影響調(diào)速系統(tǒng)的性能。在相繞組關(guān)斷時刻相電流迅速下降，回饋能量可以有效縮短續(xù)流時間，提高輸出轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)效率。對于公共開關(guān)型功率變換器，當位置導(dǎo)通管關(guān)斷時，單相繞組進入續(xù)流階段，由于各相共用一個斬波管，其他相繞組仍需斬波信號提供換相轉(zhuǎn)矩，斬波管無法關(guān)斷仍然繼續(xù)斬波，不利于實現(xiàn)強迫換相，其續(xù)流回路如圖2所示。

圖2 續(xù)流回路

圖3為公共開關(guān)型功率變換器的相續(xù)流電流，其續(xù)流較陡峭，呈階梯狀。

從圖中可以分析，當位置導(dǎo)通管斷開時，脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)信號為高電平進行零電壓續(xù)流，電流波形斜率趨于零，此時續(xù)流較緩慢;PWM信號為低電平進行負電壓續(xù)流，電流波形斜率較大，此時續(xù)流較迅速。

圖3 公共開關(guān)型仿真續(xù)流電流

不對稱半橋型功率變換器可以在某相續(xù)流時，將該相斬波管與位置管同時關(guān)斷進行負電壓續(xù)流，與PWM信號無關(guān)。因此，公共開關(guān)型功率變換器的續(xù)流時間比不對稱半橋型功率變換器的續(xù)流時間長，與PWM占空比有關(guān)。PWM占空比越大，則續(xù)流時間越長。若續(xù)流時間過長，續(xù)流結(jié)束時刻電流已經(jīng)延伸到對應(yīng)相電感的下降區(qū)，必然會產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。

一般情況下，調(diào)速系統(tǒng)中常采用調(diào)節(jié)開通角和關(guān)斷角來消除轉(zhuǎn)矩死區(qū)，但不可避免地增加了軟件的復(fù)雜程度，同時減小了相繞組電流維持最大值的時間［5］。本文提出一種新的消除轉(zhuǎn)矩死區(qū)的方法，即通過優(yōu)化功率變換器主電路拓撲結(jié)構(gòu)改變續(xù)流斜率k，加快繞組放電過程，從而消除死區(qū)電流導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩死區(qū)，同時延長了相繞組電流維持最大有效值的時間，原理如圖4所示。

圖4 續(xù)流斜率k對續(xù)流電流的影響

2 新型功率變換器的設(shè)計

2.1 雙極性電源公共開關(guān)型功率變換器

圖5為本文介紹的新型功率變換器主電路。

該電路仍以公共開關(guān)型功率變換器為基礎(chǔ)，在反向續(xù)流回路中加入電壓Us和濾波電容C1，電源系統(tǒng)采用雙極性電源供電。

圖5 雙極性電源公共開關(guān)型功率變換器

傳統(tǒng)的功率變換器在繞組正向?qū)〞r，繞組兩端承受正向電壓Us，在反向續(xù)流時加在繞組兩端的電壓為－Us，斜率方程為

該新型功率變換器在繞組正向?qū)〞r，繞組兩端承受正向電壓Us，在反向續(xù)流時加在繞組兩端的電壓為－2Us，斜率方程為

由式(1)、式(2)分析可見，續(xù)流時由于繞組兩端反向電壓的升高增大了續(xù)流斜率，從而縮短了續(xù)流時間，加快了繞組的放電過程。當PWM占空比較大時，由式(2)，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)。

2.2 滑變調(diào)壓公共開關(guān)型功率變換器

盡管雙極性電源式的功率變換器已經(jīng)能有效減小死區(qū)電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩死區(qū)，但是反向電壓恒為－2Us，對不同SRD并不一定能達到良好的效果，可能還需要更高的反向電壓來消除轉(zhuǎn)矩死區(qū)。圖6為滑變調(diào)壓式的新型功率變換器。

圖6 滑變調(diào)壓公共開關(guān)型功率變換器

供電電源采用+kUs(k＞1)和－Us，通過滑動變阻器分壓可任意調(diào)節(jié)反向續(xù)流時加在繞組兩端的電壓，加快電流釋放過程，斜率方程為

由于供電需要兩種不同大小的電壓，不可避免地增加了電源系統(tǒng)的復(fù)雜程度。同時，由于使用了滑變電阻器分壓，增加了系統(tǒng)的能量損耗，降低了系統(tǒng)效率。

2.3 Boost斬控調(diào)壓公共開關(guān)型功率變換器

為了實現(xiàn)反向電壓大范圍可調(diào)，現(xiàn)采用Boost斬控調(diào)壓器［6］和公共開關(guān)型功率變換器組合設(shè)計，得到新型的Boost斬控調(diào)壓公共開關(guān)型功率變換器，其主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 Boost斬控調(diào)壓公共開關(guān)型功率變換器

電源系統(tǒng)仍采用雙極性電源供電，Boost電路模塊中Ls為儲能電感，ST為Boost升壓直流斬波管，VDT為逆止二極管，C1為穩(wěn)壓電容。盡管該電路具有元器件成本高和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，但加入Boost電路后，續(xù)流的加快使得系統(tǒng)在不產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩情況下繞組可以相對關(guān)斷晚一些，從而延長了相繞組電流維持最大值的時間，增加了系統(tǒng)的輸出功率，提高了運行效率。轉(zhuǎn)矩死區(qū)的消除也在一定程度上降低了轉(zhuǎn)矩脈動。該新型功率變換器結(jié)構(gòu)在最少開關(guān)器件的基礎(chǔ)上加入了Boost升壓直流斬波模塊，以提高相繞組電流續(xù)流時的衰減速度。除Boost模塊外，其工作過程與公共開關(guān)型主電路的工作過程一樣。Boost升壓直流斬波模塊是一個輸出電壓為Ud的可控高效開關(guān)電源，反向續(xù)流時由C1和Cs共同提供反向電壓。這種電路的好處是可以使C1上的電壓始終高于電源電壓Us。實際應(yīng)用中為了使電機達到良好的起動效果，應(yīng)先對C1進行預(yù)充電。

ST導(dǎo)通時，Us向 Ls充電，設(shè)充電電流恒為I1，同時C1的電壓向負載供電，提供反向續(xù)流電壓。因為C1值很大，輸出電壓Ud為恒值。設(shè)ST導(dǎo)通時間為 ton，，此階段 Ls上積蓄的能量為UsI1ton。ST關(guān)斷時，Us和Ls共同向C1充電并向負載供電，提供反向續(xù)流電壓。設(shè)ST的PWM周期為T，占空比為D，則ST關(guān)斷的時間為T－ton，此期間電感Ls釋放的能量為(Ud－Us)I1(T－ton)。穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中Ls積蓄能量與釋放能量相等:

理論上輸出電壓Ud可以無限大，但實際受電子器件參數(shù)的限制，Ud不可能任意大，有一定的取值范圍。Ud越大，繞組放電越快，對應(yīng)不同PWM占空比，需要選擇合適的Ud值，斜率方程為

與傳統(tǒng)功率變換器相比，在其放電過程中繞組反向電壓增加了－Ud一項參數(shù)，加速了相電流衰減。通過調(diào)節(jié)Boost斬波管可調(diào)節(jié)Ud的大小，進而調(diào)節(jié)相電流的衰減速度，延長相繞組開通時間內(nèi)的相電流維持最大值的時間而不會產(chǎn)生死區(qū)電流，改善了SRD系統(tǒng)的調(diào)速性能。由于反向續(xù)流電壓連續(xù)可調(diào)且能量損耗較小，所以性能上要比前兩種功率變換器優(yōu)越。

2.4 三種新型功率變換器對比

本文提出的三種SRM調(diào)速系統(tǒng)的新型功率變換器都有一定的實用價值，對相繞組放電過程都有不同程度的改善，各有優(yōu)缺點，主要概括為三個方面，如表1所示。

3 仿真結(jié)果

本文以三相12/8結(jié)構(gòu)SRM為研究對象，對性能最優(yōu)的新型Boost斬控調(diào)壓公共開關(guān)型功率變換器和傳統(tǒng)的公共開關(guān)型功率變換器進行仿真研究，并進行對比分析。調(diào)速方式采用PWM電壓斬波控制，電機本體非線性仿真模型利用MATLAB/Simulink 模塊建立［7－8］，功率變換器環(huán)節(jié)直接采用SimPowerSystems模塊搭建，此方法可以對電流波形、轉(zhuǎn)矩波形等進行直觀分析。

表1 新型功率變換器的性能對比

功率變換器開關(guān)器件統(tǒng)一采用功率場效應(yīng)管(MOSFET)，仿真參數(shù)設(shè)置如下:兩種功率變換器供電電源分別為+12 V和±12 V，Boost斬控調(diào)壓模塊中儲能電感Ls值為1e－3 H，穩(wěn)壓電容C1值為1 F。

圖8為傳統(tǒng)功率變換器和新型功率變換器的相電流對比。PWM占空比統(tǒng)一設(shè)置為0.4，關(guān)斷角固定不變。圖8(a)為傳統(tǒng)型相電流，其續(xù)流時間較長;圖8(b)為新型相電流。通過調(diào)節(jié)Boost升壓斬波管的PWM占空比，設(shè)置Ud為12 V，則反向續(xù)流電壓為－2Us，如圖9(b)所示。

圖8 傳統(tǒng)功率交換器和新型功率變換器的一相電流對比

圖9 傳統(tǒng)功率變換器和新型功率變換器的一相電壓對比

由于續(xù)流階段增大了反向續(xù)流電壓，只需要較少的幾個PWM斬波周期即可使續(xù)流電流快速衰減為零，其續(xù)流時間明顯變短。由此可見，新型功率變換器在放電時大大加快了繞組中電流的衰減，達到了能量快速回饋給電源的目的。

圖10為傳統(tǒng)功率變換器和新型功率變換器的相轉(zhuǎn)矩對比。由續(xù)流階段分析，PWM占空比的增大會使相電流延伸到對應(yīng)相電感的下降區(qū)，即相繞組在dL/dθ＜0區(qū)域內(nèi)仍有回饋電流存在，系統(tǒng)周期性地輸出制動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩脈動嚴重，如圖10(a)所示;由于采用Boost斬控調(diào)壓模塊，將Ud調(diào)至20 V，加快了續(xù)流時繞組電流的衰減，有效消除了制動轉(zhuǎn)矩，在一定程度上降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動，如圖10(b)所示。

圖10 傳統(tǒng)功率變換器和新型功率變換器的一相轉(zhuǎn)矩對比

當系統(tǒng)高速或重載時PWM占空比較大，零電壓續(xù)流時間過長導(dǎo)致續(xù)流總時間變長，此時就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩死區(qū)，由于單相轉(zhuǎn)矩死區(qū)的存在限制了系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)矩，無法滿足調(diào)速系統(tǒng)的要求。

當PWM占空比為0.8時將Ud調(diào)至30 V，完全消除了單相轉(zhuǎn)矩死區(qū)，有效提升了總轉(zhuǎn)矩，提高了系統(tǒng)的輸出功率，使得系統(tǒng)帶載能力加強，如圖11所示。

圖11 傳統(tǒng)功率變換器和新型功率變換器總轉(zhuǎn)矩對比

4 結(jié)語

(1)本文分析了公共開關(guān)型功率變換器續(xù)流時間對調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩輸出和轉(zhuǎn)矩脈動的影響，提出了通過增加反向續(xù)流電壓來消除制動轉(zhuǎn)矩、提高系統(tǒng)效率和降低轉(zhuǎn)矩脈動的方法。

(2)以公共開關(guān)型功率變換器為基礎(chǔ)，在最少開關(guān)器件的基礎(chǔ)上設(shè)計了三種新型的功率變換器:雙極性電源型、滑變調(diào)壓型、Boost斬控調(diào)壓型。這三種功率變換器都在不同程度上縮短了續(xù)流時間，達到了能量快速回饋給電源的目的。

(3)搭建SRM非線性仿真模型，對傳統(tǒng)的功率變換器和新型Boost斬控調(diào)壓型功率變換器分別進行了相電流、相電壓、相轉(zhuǎn)矩和總轉(zhuǎn)矩的對比分析，有效說明了新型功率變換器改善了電流波形，降低了轉(zhuǎn)矩脈動，提高了輸出功率。

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