開關磁阻電機功率電路的設計和保護

席 艷， 邵 達， 貢 亮

(1.煙臺職業學院，山東煙臺264001;2.上海交通大學，上海200240)

0 引言

開關磁阻電機調速系統(Switched Reluctance Driver，SRD)由開關磁阻電動機(Switched Reluctance Motor，SRM)與微機智能控制器兩部分組成，調速性能優越，目前在很多領域大量使用。其中功率變換器在整個SRD系統中占有重要的地位，如何提高SRD性能是非常關鍵的問題［1-3］。在設計中不僅要注意與SRM電動機的結構相匹配，而且還要控制盡量簡單、成本低、效率高等特點。本文基于12/8級開關磁阻電機，以TMS320LF2407A DSP為邏輯控制與數值計算核心，設計了一套開關磁阻電機功率保護電路。

1 功率變換器主電路的設計

目前SRM電機的功率變換器主電路［4-7］的設計有很多種，設計的關鍵問題:①SRD功率變換器的拓撲結構設計;②主開關器件的選擇及器件定額的估算。

1.1 拓撲結構設計

理想的開關磁阻電機功率變換器主電路結構應滿足如下約束原則:①主開關元件數量的最小化;②電源電壓主要施加于電動機的相繞組;③迅速增加相繞組電流;④主電力電子器件的電壓標稱額定值與電動機額定工礦匹配;⑤在繞組磁場共同增加時能向電源回饋能量;⑥實現相電流快速、精準控制。

SRD系統的功率變換器電路結構有多種，目前最常用的幾種功率變換器主電路主要有雙開關型主電路、電容分壓型主電路、雙繞組型主電路、公共開關型、H橋型主電路主電路。這些結構的區別在于去磁方式、能量回饋、元器件定額要求及適用場合均不同。本文采用三相SRD系統的主電路形式雙開關型主電路(亦稱三相不對稱半橋型主電路)，其拓撲結構如圖1所示。不對稱半橋對開關器件電壓容量要求較低，各相繞組電流可以分別施控，適合高電壓、大電容、任意相數的SRD系統，并且控制方式比較簡單。

圖1 三相不對稱半橋型主電路

1.2 器件選擇

(1)主開關器件的選擇。IGBT絕緣柵雙極型晶體管兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點，驅動電路簡單，是近幾年國內外選擇主開關器件的主流器件。因此在實驗中選擇IGBT作為構成SRD功率變換器的主開關器件。

(2)續流二極管的選擇。為減小功率變換器的開關損耗，限制主開關和續流二極管上的電流、電壓振蕩和電壓尖峰續流，二極管一般要求其反向恢復時間短、反向恢復電流小、具有軟恢復特性，因此選型為快速恢復二極管。

(3)關鍵部件電氣定額的選擇。在器件選擇時要考慮系統電壓定額、電流定額要求和容量大小等因素。主開關器件的電壓額定值主要取決于外施的直流電源電壓Us，考慮到主開關和續流二極管開關過程中要能承受一定的瞬時過電壓，所選器件的電壓定額應留有安全裕量，一般來說，主開關和續流二極管的電壓定額一般取其額定工作電壓的2～3倍。因為開關磁阻電動機的起動能力強，因此在確定主開關器件電流定額時，只要考慮電動機運行時的一定過載倍數(一般選為1.2～1.4)。對于續流二極管而言，因其能承受較大的沖擊電流，一般也以有效值電流定額作為選型依據，通常取其最大工作電流的1.5～2倍。

2 保護電路的設計

工作在強電環境中的SRD驅動電路由于外部干擾或者控制器出現故障等原因引起高電壓、大電流，很可能就此燒毀功率器件，甚至燒毀電機繞組，所以對功率電路和電機的保護是至關重要的。目前保護電路中用的比較多的是功率主回路的電壓、電流、過熱保護［8-10］，但是針對極易引起系統災難性后果的驅動電路掉電、主控芯片內存擁塞指針紊亂等問題仍缺乏行之有效的系統保護措施。因此，本文系統地對過壓保護、過電流保護、驅動電路掉電保護、功率電路看門狗保護進行綜合設計，實現主回路可靠防護。

圖2所示為脈沖封鎖電路［11-12］單元。當電路出現過壓(OV)、過流(OC)、DSP 故障(DSP ERR)、和驅動電路掉電(LP18V)當中的任何一種或幾種故障時，經過74HC32或門電路輸出使能OE信號，這一信號接入74HC245芯片的19號管腳OE上，電路正常工作時OE沒有高電平輸入，PWM波輸出使IGBT正常導通工作，當檢測到高電平加到OE上時，PWM輸出被封鎖，使得IGBT可靠截至，從而有效避免設備損壞，待及時排除故障后復位工作重新開始。

圖2 脈沖封鎖電路

保護電路設計細節如下。

2.1 過壓保護電路設計

當由于某種原因引起主回路電源電壓升高，超過了允許范圍，勢必會引起開關管或電機定子繞組的損壞，因此必須對過電壓進行檢測和保護(見圖3)。

圖3 過電壓保護電路

參考門限電壓信號接入引腳8，實時測量電壓信號接入引腳9中，如果主回路的電壓過高，則比較器LM339的輸出為高電平，將會產生一過壓信號(OV)至脈沖封鎖電路，迅速封閉脈沖輸出截至IGBT，實現過壓的保護，避免功率電路、電機損壞。

2.2 過電流保護電路設計

過電流保護電路［13-15］的主要作用是，防止電動機繞組電流的峰值電流超過功率開關元件額定值而造成的元件損壞。如圖4所示，當電機的某一相繞組電流較大，達到比較器的設定值時，LM339輸出高電平電流的過流信號至脈沖封鎖單元，使脈沖信號禁止從而起到限流的作用。

圖4 過電流保護電路

2.3 驅動電路掉電保護設計

工業現場由于電源電壓不穩可能會使驅動電路電源電壓降低或掉電，IGBT驅動保護電路是IGBT可靠、穩定、高效運行的基礎，IGBT驅動電源掉電將會使整個系統運行不能正常運行，在主電路供電情況下會導致器件擊穿。功率電子部件驅動電路掉電保護環節可以通過偵測IGBT驅動回路電源狀態，對此類關鍵性故障進行實時處理。驅動電路掉電保護采用MAX813L芯片實時檢測電源故障，電源故障輸入端(PFI)連接待監測的驅動電路供電電源模塊，系統正常工作時該引腳電平為18 V。當該端輸入電壓低于1.25 V時，電源故障輸出端(PFO)保持高電平，電源電壓變低或掉電時，輸出由高電平變為低電平。利用這一特性，把驅動電路電源信號接入(PFI)端，正常工作時電源電壓為18 V，電源電壓變低或掉電時，電源故障輸出端(PFO)由高電平變為低電平，經過一反相器后將故障信號(LP18VO)送至脈沖封鎖信號，及時將IGBT關斷，從而實現驅動電路掉電保護。電路如圖5所示。

圖5 驅動電路掉電保護電路

2.4 功率電路看門狗保護設計

當DSP控制器程序“跑飛”時，其IO端口處于不可控狀態，長時間置高的PWM信號輸出會引起功率管一直導通，燒壞器件和電機。為了能夠在DSP控制器失控的情況下封鎖功率驅動脈沖，設計帶進位二進制計數器CD4060的功率回路限時保護電路，電路如圖6所示。CD4060由一振蕩器和14級二進制串行計數器位組成，振蕩器的結構采用晶振電路，CR為高電平時，計數器清零且振蕩器使用無效。DSP正常工作時，按照指定時間間隔清零CD4060計數器，實現“喂狗”操作，因此PWM脈沖會一直輸出從而使得功率電路正常工作。當DSP發生故障時，“喂狗”信號不能及時給復位端，則CD4060則輸出計數達限脈沖，產生DSP ERR信號至脈沖封鎖電路，該信號進入脈沖封鎖電路禁止驅動脈沖輸出，從而對功率部件及系統起到保護作用。

圖6 功率電路看門狗保護電路

3 結語

功率電路可靠性是SRD系統長期無故障運行的基礎，且功率電路成本在整個系統中占比遠超控制電路，因此采用軟硬件結合、強弱電結合的技術，設計全方位、多層次、綜合冗余的功率回路保護電路是系統設計核心。本文以8/6極SRM為研究對象，使SRM電機的轉速實現了連續運轉可調。實驗證明該設計的各種保護電路有效，能自動判斷過壓、過流、驅動電路掉電、DSP跑飛等故障，并產生相應措施保護SRM電機。

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