基于PWM整流器的開關磁阻電機驅動系統

陳 靜 張 能

（1.淮陰師范學院物電學院，安徽 淮安 223300；2.國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢 430074）

開關磁阻電機具有結構簡單、工作可靠、成本低等優點，適用于礦山惡劣的開采環境。全數字控制的開關磁阻電機驅動系統（SRD），具有較好的調速性能，大大的提高了系統工作效率。目前，大部分SRD驅動系統仍采用不控整流或相控整流方式，對電網污染較大，諧波較嚴重[1-3]。本文以某礦矸石山絞車電控系統改造為背景，研究一種基于 PWM整流器的SRD驅動系統。

1 開關磁阻電機驅動系統的構成

基于PWM整流器的SRD驅動系統結構如圖1所示。系統采用 TMS320F2812 DSP作為電機主控芯片，整流環節采用三相全橋 PWM整流器，將三相電網電壓變為直流；逆變環節為帶滯環控制的不對稱半橋結構，控制功率器件開通和關斷。

2 鎖相環控制

圖1 基于PWM整流器的SRD驅動系統結構圖

經坐標變換，可以得出

由于φ≠0，造成Vq不為零，系統不能工作在單位功率因數，對電網造成一定的污染。鎖相環技術，就是通過對Vq的處理，使其非常逼近0，當到達一定程度的時候，認為其能鎖定電網角度，進而能夠時刻檢測出電網的角度[4-5]。圖2為鎖相環控制原理框圖。

圖2 鎖相環控制原理框圖

圖2中，由于Vq可能不為0，把經過濾波后的相位誤差 PLL_ERR經過一個 PI調節器后，得到了一個偏差頻率。而通過將偏差頻率疊加在電網的工頻50Hz后，再經過一個積分環節，就得到了所需要的相角PLL.out，鎖定了電網角度[6]。通過鎖相環控制，能夠始終保持PLL.out與電網角度相同，并且能夠保證Vq= 0 ，使系統一直運行在單位功率因數。

3 負載前饋控制

將負載電流i0作為一個外部擾動，i0的變化會導致直流電壓v0波動，使v0與設置值不同。而通過電壓反饋，再經過了電壓環調節后，能慢慢的使v0逼近設置值，使系統工作在穩定狀態。電壓環控制框圖如圖3所示。

圖3 電壓環控制框圖

對于直流電壓的波動，可以通過系統的前饋補償控制來消除負載突變所產生的影響[6-7]。當加入前饋控制后，前饋補償器的傳遞函數為，如圖3中的虛線所示，則直流母線電壓的輸出表達式

若選取前饋補償的傳遞函數

可以得出直流電壓

此時，系統輸出直流電壓與負載電流i0沒有關系，能夠消除負載突變對系統直流電壓的影響。實際設計時，通常采用簡化的方法，來盡量消除負載的影響。根據整流器輸入輸出功率相等原則，可以計算出負載側電流：

使用負載電流作為系統的電流前饋，就能減小對系統直流電壓的擾動。負載前饋控制系統的解耦框圖，如圖4所示。

圖4 負載前饋的控制系統

4 仿真與實驗

4.1 仿真結果

利用Matlab/Simulink搭建基于PWM整流器的開關磁阻電機驅動系統模型，驗證以上控制算法。整流側，采用 PWM整流器將三相輸入電壓整成直流；逆變側，根據CCC控制方法，控制功率開關器件通斷，實現電機轉速控制。

具體仿真參數設置如下：變頻器額定輸出容量100kW；網側電壓 220V；輸入電壓頻率 50Hz；交流進線電阻R= 0.05Ω；直流側電壓：仿真波形如圖5和圖6所示。

圖5 負載突加時v0的動態響應

圖6 有鎖相環時網側電流電壓波形

圖5可以看出，使用負載前饋時，系統直流電壓的波動約為8V，很大程度上的降低直流電壓的脈動。圖6中，當電網電壓相位發生突變時，采用了鎖相環技術的網側電流變化平穩。仿真結果驗證了采用鎖相環時，系統穩定性能更好。

4.2 實驗結果

本文以絞車電控系統改造為背景，研究出一種具備四象限運行特性并且具有能量回饋電網的SRD驅動系統，系統帶負載運行如圖7所示。

圖7 網側電壓電流波形與電機側電流波形

圖7（a）為電動模式時的電網電壓電流波形，及電機側電流波形。可以看出，在電動模式時，交流側的電壓與電流基本同相位，系統工作在單位功率因數。而電機側電流波形近似為一個方波平穩，波動很小，系統的穩定性能較好。

圖7（b）所示為回饋制動時的電壓電流波形。從圖中可以看出，電網側電壓電流呈反相位，單位功率因數為-1。直流側電壓穩定，電機側電流平穩。

5 結論

本文提出了一種基于 PWM整流器的開關磁阻電機驅動系統，與前級采用不控整流的方法相比，可實現能量雙向流動，減少了電網污染。同時，系統采用鎖相環負載前饋控制的方法，極大的減小了電機的脈動，提高了控制效果。仿真和實驗結果證實了基于 PWM整流器的開關磁阻電機驅動系統的可行性與優良性。

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