基于開(kāi)關(guān)磁阻電機系統的功率變換器設計

　　開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統（SRD）是由電力電子技術(shù)、控制技術(shù)及計算機技術(shù)與傳統磁阻電機相結合，發(fā)展起來(lái)的新型無(wú)級調速系統。功率變換器是開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統的重要組成部分，在電機成本中占有很大比重，其性能的好壞將直接影響到電機的工作效率和可靠性。功率變換器拓撲結構的不同主要表現在電機繞組回饋能量方式的差異上。本文將以開(kāi)關(guān)磁阻電機功率變換器為研究對象。

　　1 開(kāi)關(guān)磁阻電機功率變換電路

　　1.1 功率變換器簡(jiǎn)介

　　功率變換器調節不同的負載處于額定功率運行，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(guò)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)周期內調節導通時(shí)間或是在幾個(gè)周期內調節若干個(gè)連續導通或關(guān)斷時(shí)間來(lái)改變電機輸出功率。

　　功率電子器件在調速系統及各種功率變換電路中運用廣泛，以開(kāi)關(guān)方式工作的電力電子器件是開(kāi)關(guān)磁阻電機功率變換電路的基礎及核心。目前，較常用的功率開(kāi)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)效應晶體管（Power MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。本文中選擇開(kāi)關(guān)磁阻電機功率變換電路都是以IGBT 為主開(kāi)關(guān)器件。

　　1.2 功率變換器的拓撲結構

　　功率變換器是開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統的重要組成部分，其拓撲結構具有多種形式，區別主要在于回收繞組釋放磁場(chǎng)能量的方法不同。圖1 所示是一種不對稱(chēng)半橋式功率變換電路。

　　2 功率變換器的設計

　　2.1 新型功率變換電路的結構特點(diǎn)

　　新型功率變換器主電路的拓撲結構如圖2 所示，圖中虛線(xiàn)框Ⅰ、Ⅱ以外是典型的不對稱(chēng)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(kāi)關(guān)；D1 ~ D6 為各相繞組的續流二極管；虛線(xiàn)框Ⅰ以?xún)鹊膱绦熊涢_(kāi)關(guān)輔助電路由諧振電感Lr，諧振電容Cr，輔助開(kāi)關(guān)Sch、Sdis 和二極管Dch、Dfr 組成；虛線(xiàn)框Ⅱ內是RCD 緩沖吸收回路，與主開(kāi)關(guān)并聯(lián)。

　　與傳統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(kāi)關(guān)輔助電路，只要適時(shí)控制輔助開(kāi)關(guān)Sch、Sdis 的通斷，則可實(shí)現主開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)啟和軟關(guān)斷；與主開(kāi)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(guò)電壓，同時(shí)可緩解導通時(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)后的電路基本運行圖如圖3 所示，圖4 顯示了電路的基本波形。其中主開(kāi)關(guān)S2 的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期分為充電、PWM 調制和放電三個(gè)階段：

　?。?）在充電期間（如圖4 所示中的t0 ~ t2）：t0 之前，電容Cr 已經(jīng)在前面的周期內放電至零。在t0 時(shí)刻，Dch 零電流開(kāi)關(guān)條件下導通，Cr 通過(guò)電感Lr 充電，通過(guò)1/2 個(gè)諧振周期至t1 時(shí)結束。由于Dch 單向導電性，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(kāi)，直流環(huán)節電壓下降到零，于此，S2 在零電壓下打開(kāi)。

　?。?）PWM 期間（ 如圖4 所示中的t2 到t3）：通過(guò)調節PWM 的占空比可控制對SRM 的能量輸出。

　?。?） 放電期間（ 如圖4 所示中的t3 ~ t7）：在t3 時(shí)刻，Sdis 開(kāi)啟， 電容Cr 通過(guò)Lr 放電， 放電路徑為Cr → Lr → U → S2 → D1 → Sdis.t5 時(shí)刻后，負載電流開(kāi)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 導通，idis=0，負載電流依次通過(guò)D1、Dfr 和S1.t6 時(shí)刻后，Sdis 關(guān)斷，idis=0.
開(kāi)關(guān)磁阻電機的控制策略一般分為三類(lèi)，即脈寬調制（PWM）、角度位置控制（APC）和直流斬波控制（CCC）。適時(shí)控制Sch 的導通時(shí)刻，可以在這三個(gè)控制策略上實(shí)現主開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)啟與軟關(guān)斷。

　　3 開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統仿真研究

　　3.1 仿真結構圖

　　圖5 所示為通用開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統仿真結構圖。

　　設置電機參數為：相電壓為240 V，定子電阻為0.05 Ω，轉動(dòng)慣量為0.05 kg·m2，摩擦系數0.02 N·m·s.仿真數據輸出有磁鏈、電流、轉矩和角速度，電流與角速度作為反饋信號輸入控制單元，控制開(kāi)通角40°，關(guān)斷角75°。

　　圖6（a）、（b）分別為不對稱(chēng)半橋式功率變換電路仿真結構和新型功率變換電路的仿真結構。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 仿真結果比較

　　圖7 所示是磁鏈比較圖形。從仿真曲線(xiàn)中可以看出，基于半橋型功率變換電路的驅動(dòng)系統中繞組開(kāi)關(guān)導通時(shí)相磁鏈增大，無(wú)論啟動(dòng)階段還是穩定運行階段，磁鏈增大時(shí)都有較小幅度的波動(dòng)，這不利于電機轉子的平穩運轉；而基于新型功率變換電路的驅動(dòng)系統克服了這一缺點(diǎn)，開(kāi)關(guān)導通時(shí)磁鏈平穩增加。

　　與磁鏈的仿真結果類(lèi)似，圖8 所示的電流仿真曲線(xiàn)在整個(gè)過(guò)程中，基于半橋型功率變換電路的驅動(dòng)系統在電流上升時(shí)有小幅度的波動(dòng)，并且在穩定運行階段電流峰值不穩定；基于新型功率變換電路的驅動(dòng)系統穩定運行時(shí)有較為穩定的電流峰值，且電流增大時(shí)響應速度快，無(wú)前期的波動(dòng)變化。

　　圖9 顯示了轉矩變化的仿真曲線(xiàn)，在啟動(dòng)階段兩種不同功率變換電路的驅動(dòng)系統轉矩變化曲線(xiàn)基本一致。相比于半橋型功率變換電路驅動(dòng)系統，基于新型功率變換電路驅動(dòng)系統的轉矩波動(dòng)幅度稍小并且幅值穩定。

　　4 結 語(yǔ)

　　從本文的結果中可以看出，應用新型功率變化電路時(shí)，能明顯抑制電機繞組換相時(shí)磁鏈、電流在上升時(shí)的波動(dòng)，并且電流、轉矩更快地降低趨于穩定運行狀態(tài)；在穩定運行階段電流變化峰值更為穩定，轉矩脈動(dòng)幅度更小，幅值穩定。但同時(shí)新型的功率變換電路多用了開(kāi)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)現繞組主開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)，通過(guò)進(jìn)行Matlab/Simulink 開(kāi)關(guān)磁阻電機仿真驅動(dòng)系統運行得到的實(shí)驗結果與理論分析吻合，從而驗證了功率變換電路設計的有效性和合理性。