新型開關磁阻電機功率變換器

徐秋芳，張京軍，張海軍，高瑞貞

(1.河北工程大學信電學院，河北邯鄲056038;2.河北工程大學機電工程學院，河北邯鄲056038;3.河北工程大學 水電學院，河北邯鄲056021)

開關磁阻電機(switched reluctance motor，SRM)結構簡單、堅固、可靠性強使其逐漸受到廣泛重視。SRM調速系統是典型的機電一體化系統，具有調速范圍寬和系統效率高等優點。其重要組成部分功率變換器是驅動SRM的電路裝置，對整個系統的性能起著關鍵的作用，應滿足與電動機結構匹配、高效率、控制方便、結構簡單、成本低等基本要求［1－7］。隨著電力電子器件的快速發展，功率變換器也有了迅速發展的基礎。文獻［8］提出了一種不對稱半橋型功率變換器電路模型，其控制方法靈活穩定性高，但需要元件數量較多，成本高。文獻［9］在其基礎上進行了改進，減少元件使用數量，提出用N+1個開關控制的功率變換器電路模型。文獻［10］設計了用一個開關控制的功率變換器電路模型，雖然在最大程度上減少開關使用數量，但其運行穩定性不理想。文獻［11］設計一種雙電源每相單管開關的開關磁阻電機功率變換器，有效的降低成本，有良好的可行性。文獻［12］以公共開關型功率變換器為研究對象，為解決系統重載和高速運轉時調速性能的下降，設計了幾種新型的功率變換器，加快了繞組的放電過程，改善了系統的調速性能。本文針對目前功率變換器存在的問題，設計了一種成本低、穩定性好的含諧振電路的新型功率變換器，并利用Matlab進行了建模和仿真實驗。通過和經典功率變換器的仿真結果比較，驗證了本文設計的功率變換器的有效性。

1 經典功率變換器主電路拓撲

1.1 不對稱半橋型

不對稱半橋型功率變換器控制方式簡單靈活，可靠性高［13］。在SRM的功率變換器中，不對稱半橋型功率變換器應用最為廣泛，其拓撲結構如圖1所示。

在不對稱半橋型功率變換器中，每一相繞組都需要兩個功率開關管T1和T2，兩個功率二極管D1和D2。以第一相為例，當T1和T2同時閉合時，繞組A得電;當T1和T2同時斷開后，繞組A通過D1和D2回饋電能。若出現兩相同時工作的情況，由于各相互為獨立結構，互不影響，穩定性高。由于此類型功率變換器所需元件數多，成本較高，主要適用于相數少、功率大、電壓高的SRM。

1.2 公共開關型

為了保持高效率，又盡量減少器件的使用數量，在不對稱半橋型的基礎上進行改進得到公共開關型功率變換器［14－15］，如圖2所示。公共開關型功率變換器最主要的特點是有一個公共開關T0。以A相為例，當T0和T1同時閉合時，A相導通;T1斷開，T0導通時，繞組A與D1和T0形成通路電流自由衰減;當T0和T1同時斷開時，繞組A經過D1和D0回饋能量至電源。

公共開關型功率變換器幾乎保留了橋式電路的優點，但作為公共開關的功率開關管，流經各相電流，其功率大，容易損壞。另外，當轉速較高時，導通區域發生重疊，使得公共開關持續開通，繞組無法通過二極管回饋能量，造成電流激增，轉矩脈動變大。因此公共開關型功率變換器適用于小功率、低轉速的SRM。

2 新型功率變換器

2.1 新型功率變換器簡介

如今，不對稱半橋型功率變換器是SRM功率變換器的標準。其控制模式靈活，穩定性高，然而其所需功率元件多、成本過高，限制了SRM的進一步應用。通過分析現有的功率變換器，本文設計了每相僅需一個功率開關管和一個功率二極管的新型功率變換器，如圖3所示。

如圖可以看出每一相繞組都由一個功率開關管控制，在繞組以及電感之間有一個功率二極管，用于提供繞組釋放能量傳輸路徑。繞組右側由電阻、電感和電容組成串聯諧振電路，當電路接近諧振時，電容電壓會遠遠超過電源電壓，提供較大的反向電壓使繞組電流迅速下降。

2.2 運行原理

新型的功率變換器主要利用諧振電路的特點，來實現對繞組電流的有效控制。

對于任何含有電感和電容而不含獨立源的二端網絡，在一定頻率下，端口電壓與端口電流相位相同，即電路呈現電阻性，這種工作狀態稱作諧振［15－16］。諧振條件為

式中ω0－串聯諧振電路的諧振角頻率;f0－諧振頻率。

諧振時各元件的電壓向量為

式中Q－諧振電路的品質因數;U－電源電壓。

如圖4所示，當電路頻率ω＜ω0時，電容電壓始終大于電源電壓，當ω接近ω0產生諧振時，電感和電容電壓有效值為UL=UC=QU，當Q?1時，電容的電壓會遠遠超過電源電壓。當續流時，加在繞組兩端的反向電壓絕對值為QU?U，而傳統的不對稱半橋型功率變換器繞組兩端的續流電壓絕對值為U，其續流電流對比圖如圖5所示(采用的是6/4極，240V開關磁阻電機，在導通角為45°關斷角75°，轉速n=5 000 r/min時的仿真曲線)。可以看出新型功率變換器的續流時間較短，較高的反向電壓加快了繞組的放電過程，當PWM占空比較大時，快速的放電過程有利于消除續流時間過長導致的轉矩死區，并減少負轉矩的產生降低轉矩脈動。續流的加快使得系統在不產生負轉矩的情況下繞組可以相對增加關斷角，從而延長相繞組電流維持最大的時間，增加了系統的輸出功率，提高運轉效率。

新型功率變換器共有四種運行模式，如圖6所示。本文主要以A相繞組為例簡要介紹新型功率變換器的四種運行模式:

當θ≥θon時，T1閉合，繞組A得電，電流上升，如圖6(a)所示。

當θ=θoff時，T1關斷，繞組A通過功率二極管給電容迅速充電，電容兩端電壓迅速升高，提高A點電位，如圖6(b)所示。

當θ＞θoff時，繞組A通過功率二極管使電阻消耗繞組中剩余能量，較大的反向電壓使繞組電流迅速降低，如圖6(c)所示。

當繞組電流下降至0時，功率二極管關斷，電容中剩余能量回饋電源，如圖6(d)所示。

當初始條件繞組電流為0時，各模式的數學表達式如下所示，電流電壓在圖6(a)中標注，電流標注方向為正:

1)UA=U;I=IA在運行期間，由于電感在電路中緩沖電流變化，電感中還有剩余電流回饋電源，總電流I=IA－IRL，其中IRL為電感中剩余緩沖電流。

2.3 元件選取標準

通過功率變換器的運行原理可知，新型功率變換器主要由串聯諧振電路構成。根據SRM的工作原理可知，各個繞組依次供電形成一個與轉速成正比的通電頻率為諧振的形成提供基礎。其中一相繞組的通電頻率為

式中Nr－轉子齒數;n－轉速。

由電機的額定轉速和電機參數計算出繞組通電頻率，即諧振電路通電頻率f0。為達到良好的運行狀態，令繞組通電頻率f公式略小于諧振頻率f0，根據式(3)和式(7)計算所需的電感及電容規格。

3 仿真及結果分析

為更直觀觀測功率變換器的性能，本系統采用直流斬波控制最大電流200A，并且輕載運行。電機本體利用MATLAB/Simulink模塊建立，選用6/4極，240V開關磁阻電機。功率變換器環節直接采用SimPowerSystems模塊搭建。各功率變換器開關器件統一采用絕緣柵雙極晶體管(Insulated－Gate Bipolar Transistor，IGBT)。新型功率變換器參數設置如下:電阻R為10Ω，電感L為1e－4H，電容C為1e－4F，其控制圖如圖7所示。

圖8－圖10分別顯示了不對稱半橋型(圖8)、公共開關型(圖9)以及新型功率變化器(圖10)在本系統中搭載運行，啟動到0.4s時轉矩、相電流、速度的仿真圖形，其中導通角θon=35°，關斷角 θoff=75°。

根據各仿真結果圖可以看出，使用不對稱半橋型功率變換器，轉矩脈動幅值47.43 N·m(7.113 N·m —54.54 N·m)，轉矩平均值為25.31 N·m，轉矩脈動為1.87(轉矩脈動=轉矩脈動幅值/轉矩平均值)。轉矩脈動較小，電流波形穩定，但此變換器每一相都需要兩個開關管控制，成本較高。

當使用公共開關型功率變換器時，轉矩脈動幅值168.2 N·m(－41.24 N·m—126.9 N·m)，轉矩平均值41.03 N·m，轉矩脈動為4.10，轉矩脈動較大且電流波形不穩定，容易產生較大噪聲。在運行過程中可以看出產生負轉矩，使得整個系統的效率降低。雖然公共開關型功率變換器使用較少的功率開關節約成本，但性能較弱。

使用新型功率變換器時，轉矩脈動幅值36.5 N·m(18.29 N·m—36.93 N·m)，轉矩平均值36.93 N·m，轉矩脈動為 0.99，轉矩脈動小，電流波形較為穩定。根據圖11可以看出，相同的仿真時間，新型功率變換器提速最快，效率較高。

根據仿真結果，各功率變換器主要性能對比如表1所示。

表1功率變換器性能對比表Tab.1 Performance comparison of each converter

根據表格可以看出，新型功率變換器使用最少的功率開關管，使開關磁阻電機轉矩脈動最小，電流穩定性高，并且提高了效率。

4 結論

新型功率變換器轉矩脈動較小，電流穩定，效率高，并且所需的功率管個數最少，達到了高效節能目的。

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