分析開關(guān)磁阻電動機新型功率變換裝置

SR電動機的功率變換器相當(dāng)于PWM變頻調(diào)速感應(yīng)電動機的變頻器一樣，在其調(diào)速系統(tǒng)中占有重要地位。功率變換器設(shè)計是提高開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)(SRD)性能價格比的關(guān)鍵之一。由于SR電動機工作電壓、電流波形并非正弦波，且波形受系統(tǒng)運行條件及電機設(shè)計參數(shù)的制約，變化很大，難以準(zhǔn)確預(yù)料，這為功率變換器的設(shè)計帶來了困難。目前來說，適用于所有SR電動機及不同控制方式的“理想功率變換器”是沒有的。

　　本文針對一臺5.5kW四相SR電動機展開功率變換器的設(shè)計工作。采用新型四相功率變換器主電路結(jié)構(gòu)形式，并且增加DC/DC變換器加快放電，提高了SRD系統(tǒng)的整體性能。

　　功率變換器主電路分析與設(shè)計主電路設(shè)計是SR電動機功率變換器設(shè)計的關(guān)鍵之一。對四相SRD系統(tǒng)來說目前已有的功率變換器大多采用如圖1所示的雙極性電源型和不對稱半橋型。     

                            

    雙極性電源型

    　　不對稱半橋型

    　　(圖中:T1～T8為功率驅(qū)動主開關(guān);A、B、C、D為電機四相繞組。)圖1雙極性電源型和不對稱半橋型

　　雙極性電源型功率變換器每相只用一只主開關(guān)是其主要優(yōu)點，但主開關(guān)和續(xù)流二極管的電壓定額為US+ΔU(ΔU系因換相引起的任一瞬變電壓)，而加給勵磁繞組的電壓僅為US/2，未能用足開關(guān)器件的額定電壓和電源的容量。另外，這種結(jié)構(gòu)的功率變換器，當(dāng)電機單相運行時，因瞬時只有一只開關(guān)管導(dǎo)通，C1、C2交替出現(xiàn)較大的波動。采用雙相運行方式可以解決這一問題(前提是電路上、下兩部分同時有一相繞組導(dǎo)通)，但在雙相運行時，相電流可能流過dL/dθ<0的區(qū)域，這時電動轉(zhuǎn)矩的有效性將降低，電流在相繞組中的電阻損耗卻將增加;而且，兩相同時通電，電機磁路飽和加劇，進一步降低了電流產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩的有效性。

　　不對稱半橋型的特點是:

　　各主開關(guān)管的電壓定額為US，與電機繞組的電壓定額近似相等，所以這種線路用足了主開關(guān)管的額定電壓，有效的全部電源電壓可用來控制相繞組電流;由于每相繞組接至各自的不對稱半橋，在電路上，相與相之間的電流控制是完全獨立的;

　　可給相繞組提供3種電壓回路，即上、下主開關(guān)同時導(dǎo)通時的正電壓回路，一只主開關(guān)保持導(dǎo)通另一只主開關(guān)關(guān)斷時的零電壓回路，上、下主開關(guān)均關(guān)斷時的負(fù)電壓回路。這樣，低速斬波控制(CCC)方式時可采用能量非回饋式斬波方式，即在斬波續(xù)流期間，相電流在“零電壓回路”中的續(xù)流，避免了電機與電源間的無功能量交換，這對增加轉(zhuǎn)矩、提高功率變換器容量的利用率、減少斬波次數(shù)、仰制電源電壓波動、降低轉(zhuǎn)矩脈動都是有利的;

　　每相需2只主開關(guān)，未能充分體現(xiàn)單極性的SRM功率變換器較其他交流調(diào)速系統(tǒng)變流器固有的優(yōu)勢。

　　通過以上分析可看出，從性能上看，不對稱半橋型較雙極性電源型有很大優(yōu)勢，其唯一不足是所用開關(guān)器件數(shù)量多，尤其是對非小型的SR電動機，明顯增加了功率變換器的成本，經(jīng)濟性差。

　　在不對稱半橋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，A相和C相、B相和D相分別可共用一只上臂主開關(guān)(共用一只下臂時相對需多增加兩套獨立的驅(qū)動電路供電電源，增加了成本)，從而減少2個主開關(guān)，構(gòu)成如圖2所示的新型四相SR電動機功率變換器主電路。

 

　　圖2新型四相SR電動機功率變換器主電路

　　這種主電路方案保留了不對稱半橋型的優(yōu)點，使開關(guān)器件降到最少，具有較高的性能價格比。

　　本項目SR電動機功率變換器設(shè)計    

　

　　圖3新型功率變換器電路

　　圖3為本項目所采用的功率變換器電路，在實用中又進行了優(yōu)化。系統(tǒng)采用三相交流電源(線電壓380V、50Hz)供電。系統(tǒng)中使用的整流電路為三相三線制電路，分為二極管整流部分和電容濾波部分。電解電容C1、C2對整流電路的輸出起到濾波作用，而電阻R2、R3起到平衡兩個電容上的電壓及整個系統(tǒng)關(guān)閉時對C1、C2電容放電的作用。

　　在系統(tǒng)加電開始工作的瞬間，為了防止濾波電容開始充電所引起的過大的浪涌電流，需要采取一定的保護措施。本系統(tǒng)采用了電阻-繼電器并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)充電電壓小于某一值時，繼電器J斷開，電阻R1流過電流，把浪涌電流限制到一個安全的范圍。當(dāng)充電電壓大于此值時，J閉合，把電阻R1短路。

 　　本功率變換器中增加了DC/DC變換器，目的是為了續(xù)流時增加繞組兩端的反壓，因為傳統(tǒng)的功率變換器續(xù)流時加在繞組兩端的電壓為－Us，其放電電壓方程為: 

　

　　DC/DC變換器是一個受設(shè)定電壓Ud控制的高效開關(guān)電源，增加DC/DC后隨即在續(xù)流時反壓增加了－Ud值，其放電電壓方程變?yōu)?

　　

　　可見，DC/DC變換器的引入，有利于使電流快速降到零點。而傳統(tǒng)的續(xù)流電路電流下降時間相對較長，在電感下降區(qū)還有較大電流，進而輸出較大的負(fù)轉(zhuǎn)矩。

　　SR電動機的理想關(guān)斷角應(yīng)為不產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩前提下的最大關(guān)斷角，加入DC/DC后，續(xù)流的加快使得不產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩情況下繞組相對可以晚一些關(guān)斷，從而延長了相繞組電流維持最大值的時間，因而增加了系統(tǒng)的輸出功率，提高了運行效率。同時也在一定程度上降低了轉(zhuǎn)矩波動。

　　SR電動機功率變換器主開關(guān)器件的選擇與電動機的功率等級、供電電壓、峰值電流、成本等有關(guān);另外還與主開關(guān)器件本身的開關(guān)速度、觸發(fā)難易、開關(guān)損耗、抗沖擊性、耐用性及市場普及性有關(guān)系。

　　對于SR電動機而言，開關(guān)管的選取應(yīng)基于的原則:

　　滿足系統(tǒng)電壓、電流值要求，并留有一定的余量;盡可能低的導(dǎo)通壓降和關(guān)斷以后的漏電流，以降低系統(tǒng)損耗;足夠的安全工作區(qū)和二次擊穿耐量有利于提高系統(tǒng)運行的可靠性;盡可能小的驅(qū)動功率，驅(qū)動方便。絕緣柵雙極晶體管(IGBT)綜合了MOSFET控制極輸入阻抗高和GTR通態(tài)飽和壓降低的優(yōu)點，其工作頻率較高、驅(qū)動電路簡單，目前是中、小功率開關(guān)磁阻電機功率變換器較理想的主開關(guān)元件。本課題選用IGBT作為系統(tǒng)的主開關(guān)元件。

　　對于IGBT的驅(qū)動電路的選擇須遵循以下原則:IGBT是電壓驅(qū)動，具有一個2.5V－5V的閾值電壓,有一個容性輸入阻抗,因此IGBT對柵極電荷聚集很敏感,要保證有一條低阻抗的放電回路,即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。

　　用小內(nèi)阻的驅(qū)動源對柵極電容充放電,以保證柵極控制電壓有足夠陡的前后沿,使IGBT的開關(guān)損耗盡量小。

　　驅(qū)動電平增大時，IGBT通態(tài)壓降和開通損耗均下降，但負(fù)載短路時流過的電流增大，IGBT能承受的短路電流的時間減少，對其安全不利，一般選為+12V－+15V。

    在關(guān)斷過程中，為盡快抽取存儲的電荷，須施加一個負(fù)偏壓，但此負(fù)壓受IGBT的G、D極間最大反向耐的限制，一般取-2V－5V。

    大電感負(fù)載下，IGBT的開關(guān)時間不能過分短，以限制di/dt所形成的尖峰電壓，保護IGBT的安全。

    由于IGBT在電力電子設(shè)備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路應(yīng)與整個控制電路在電位上嚴(yán)格隔離。

    IGBT的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實用，最好自身帶有對IGBT的保護功能，并有較強的抗干擾能力。

    綜合上述因素，選擇日本富士的EXB840作為驅(qū)動模塊比較合適。

EXB840是日本富士公司提供的150A/600V和高達75A的1200V快速型IGBT專用驅(qū)動模塊。整個電路信號延遲時間不超過1μs，最高工作頻率可達40KHz-50kHz,它只需外部提供一個+20V的單電源，內(nèi)部自己產(chǎn)生一個-5V反偏壓。對本系統(tǒng)比較適用。

 對SR電動機功率變換器的續(xù)流二極管，要求其反向恢復(fù)時間短、反向恢復(fù)電流小、具有軟恢復(fù)特性，這有助于減小功率變換器的開關(guān)損耗、限制主開關(guān)和續(xù)流二極管上的電流、電壓振蕩和電壓尖峰。

    三相三線電路的優(yōu)點是直流輸出電壓脈動較小，負(fù)載電流增大時平均電壓下降較少，并且不造成供電系統(tǒng)零線電流。

    圖4SRM典型相電壓波形

 

    圖5SRM典型相電流波形

    實驗結(jié)果

    設(shè)計的功率變換器已在5.5kW的SRD系統(tǒng)中運行。控制器是基于DSPF240，通過安裝于電機上的位置傳感器判斷轉(zhuǎn)子位置信息并據(jù)此給出相通斷信號及測速、給出一路定頻調(diào)寬的PWM信號等。系統(tǒng)選用的主開關(guān)及其驅(qū)動模塊均能承受40KHz以內(nèi)的通斷信號。

    調(diào)速方式采用低速電壓斬波(電壓PWM)與高速角度位置控制(APC)。采用模糊控制調(diào)速方法，模糊控制作為以模糊理論為基礎(chǔ)的反饋控制方法，無需數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，成本低廉，系統(tǒng)穩(wěn)定性(除靜態(tài)運行誤差外)和抗干擾能力強。使用DSP的一路A/D端口，電位器模擬電壓信號經(jīng)A/D輸入轉(zhuǎn)變?yōu)榻o定的數(shù)字速度信號，當(dāng)改變電位器電壓值后，相應(yīng)改變了程序中的速度設(shè)定值，根據(jù)測出的真實速度值與設(shè)定值只差E，以及當(dāng)前實時速度得變化方向(實為前后兩次實測速度差EC)，運用模糊控制方法通過DSP的事件管理模塊實時自動調(diào)節(jié)占空比(電壓PWM)和開通關(guān)斷角(APC)，進而改變速度。

    通過DC/DC變換器的引入，可見電流波形的下降速度明顯增快，對轉(zhuǎn)矩脈動的改善、效率的提高有較好的作用。

    圖4為系統(tǒng)典型相電壓波形。圖5為系統(tǒng)運行在電壓PWM方式與角度位置控制(APC)方式下的典型相電流波形。

  來源:零八我的愛