基于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的功率變換器的研究

[日期：2005-5-18] 來源：電子技術(shù)應(yīng)用  作者：齊劍玲 孟小紅 劉慧芳 [字體：大 中 小]

　

   摘要：對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)功率變量器的五種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，給出了各種功率變換器的工作線路圖，并對(duì)每一種功率變換器的拓?fù)湫阅?、特點(diǎn)及應(yīng)用進(jìn)行了研究。最后對(duì)于功率變換器拓?fù)涞陌l(fā)展方向提出看法。

    關(guān)鍵詞：開關(guān)磁電動(dòng)機(jī)（SR）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 功率變換器

開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)（SRD）是一種新型的交流無級(jí)調(diào)整系統(tǒng)，由開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、功率變換器、控制器、位置檢測(cè)器四部分構(gòu)成。在光、電、機(jī)的共同作用下，形成電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)見圖1。

    功率變換器是驅(qū)動(dòng)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的電路裝置，為其提供電能。對(duì)功率變換器功率開關(guān)的通斷狀態(tài)進(jìn)行合理的控制可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速動(dòng)轉(zhuǎn)。功率變換 器主電路拓?fù)湫问降倪x取與供電電壓、電機(jī)相數(shù)、主開關(guān)器件的種類有密切的關(guān)系。合理選擇和設(shè)計(jì)功率變換器是提高SRD的性能價(jià)格比的關(guān)鍵之一。雖然功率變換 器電路的拓?fù)湫问蕉喾N多樣并各有其特點(diǎn)，但目前并未形成理論定式（固定模式）。一般來說，選取理想的SR功率變換器的原則是：電路拓?fù)渑c電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)匹配、效率高、控制方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。

1 功率變換器主電路工作分析

SRD系統(tǒng)的性能和成本很大程度上取決于功率變換器的性能和成本，所以對(duì)功率變換 器的研究意義重大。目前研究主要集中在功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、主開關(guān)器件選擇和使用等方面。

    1．1 四相八管式功率變換器

四相八管式SR電動(dòng)機(jī)功率變換器主電路拓?fù)淙鐖D2所示，其中A、B、C、D各相分別有兩只主開關(guān)和兩只續(xù)流二極管與直流電源相連。此電路有三種工作狀態(tài)。以A相為例，觸發(fā)T1、T2，兩開關(guān)管都導(dǎo)通，直流電源如到A相繞組，建立電流和磁鏈，相電流iA沿圖3（3）所示路徑流動(dòng)。當(dāng)T1和T2中有一個(gè)管子關(guān)斷，A相繞組電流在T1、D2或T2、D1構(gòu)成的回路中續(xù)流。這一過程可減小電流的脈動(dòng)，相電流iA沿圖3（b）所示路徑流動(dòng)。T1和T2都關(guān)斷，相電源通過D1、D2續(xù)流，此時(shí)磁鏈迅速下降，繞組能量回饋電源。相電流iA沿圖3（c）所示路徑流動(dòng)。

    四相八管式SR電動(dòng)機(jī)功率變換主電路拓?fù)涔ぷ髂Ｊ椒治觯涸趫D3（a）所示的模式下直流電源電壓提供給電機(jī)A相繞組勵(lì)磁能量。相應(yīng)的等式為（1）式，式中UT為主開關(guān)通態(tài)飽和壓降，RA為A相電阻，ψA為A相磁鏈。在圖3（b）所式模式下，設(shè)上開關(guān)管關(guān)斷，相應(yīng)的等式為（2）式；Ud為二極管導(dǎo)通壓降。在圖3（c）模式下，相應(yīng)的等式為（3）式。

Us-2UT=dψA/dt+RaiA (1)

-UT-UD=dψA/dt+RaiA (2)

-Us-2UD=dψA/dt+RaiA (3)

1.2 四相四管雙繞組式功率變換器

四相四管雙繞組式SR電動(dòng)機(jī)功率變換器主電路拓?fù)淙鐖D4所示。A、B、C、D各相分別有兩個(gè)繞組，每相的一邊繞組與開關(guān)器件相連，另一邊繞組與續(xù)流二極管相連。此電路有兩種工作狀態(tài)。以A相為例，T1管在A相的一邊繞組中建立電流，相電流iA沿圖5（a）所示路徑流動(dòng)；T1管關(guān)斷，通過另一邊繞組和D1回饋電流。相電流iA沿圖5（b）所示路徑流動(dòng)。

    四相四管雙繞組式SR電動(dòng)機(jī)功率變換器主電路拓?fù)涔ぷ髂Ｊ椒治觯涸趫D5（a）所示的模式下，相應(yīng)的等式為（4）式，iA1為與主開關(guān)相聯(lián)的繞組中電流，RA1為與主開關(guān)相聯(lián)的繞組的電阻。在圖5（b）所示的模式下，相應(yīng)的等式為（5）式，iA2為與二極管相聯(lián)的繞組中電流，RA2為與二極管相聯(lián)的繞組的電阻。

Us-UT=dψA/dt+RA1iA1 (4)

-Us-UD=dψA/dt+RA2iA2 (5)

1.3 四相四管等分直流電源型功率變換器

四相四管等分直流電源型SR電動(dòng)機(jī)功率變換器主電路拓?fù)淙鐖D6所示。每相用一個(gè)開關(guān)器件，靠同容量的電容將直流電源等分。此電路的工作狀態(tài)用A、B兩相來說明。A相工作時(shí)，S1開通，由C1向A繞組建立電流；S1關(guān)斷，D1續(xù)流回饋電流給C2，相電流iA沿圖7（a）所示路徑流動(dòng)。B相中的開關(guān)管和續(xù)流二極管位置與A相對(duì)調(diào)，目的是保證正、負(fù)電源供電平衡。B相工作時(shí)，相電流iB沿圖7（b）所示路徑流動(dòng)。C、D相同理。

    四相四管等分直流電源式SR電動(dòng)機(jī)功率變換器主電路拓?fù)浞治觯涸趫D7（a）所示的模式下，直流電源給A相供電，相應(yīng)的等式為（6）式，開關(guān)斷開相應(yīng)的等式為（7）式。

Us/2-Us1=dψA/dt+RAiA (6)

-Us/2-UD1=dψA/dt+RAiA (7)

    1．4 四相五管（n+1）式功率變換器

四相五管（n+1）式SR電動(dòng)機(jī)功率變換器主電路拓?fù)淙鐖D8所示。電路中除各相開關(guān)及各相續(xù)流二極管外，還有一公共斬波主開關(guān)及公共續(xù)流二極管。此電路有三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。以A相為例：公共主開關(guān)S0和A相主開關(guān)S1開通，電源向A繞組輸送電流，相電流iA沿圖9（a）所示路徑流動(dòng)；公共主開關(guān)S0斬波，A相徑S1、D0自然續(xù)流，相電流iA沿圖9（b）所示路徑流動(dòng)；S0、S1關(guān)斷，A相徑D0、D1續(xù)流，進(jìn)一步減小磁化電流，向電容C回饋電能，相電流iA沿圖9（c）所示路徑流動(dòng)。需要重點(diǎn)說明的是，就本電路而言，當(dāng)S0導(dǎo)通、S1斷開時(shí)，如果相繞組能量沒有耗盡，相電流將經(jīng)過D1續(xù)流，這不利于換相，在設(shè)計(jì)時(shí)要給予考慮。


    四相五管（n+1）式SR電動(dòng)機(jī)功率變換器主電路拓?fù)浞治觯涸趫D9（a）所示的模式下，直流電源給A相供電，相應(yīng)的等式為（8）式；在圖9（b）所示的模式下，相應(yīng)的等式為（9）式；在圖9（c）所示的模式下，相應(yīng)的等式為（10）式。

Us-Us0-Us1=dψA/dt+RAiA (8)

-Us0-Ud0=dψA/dt+RAiA (9)

-Us-UD0-Udt=dψA/dt+RAiA (10)

    1.5 四相五管帶電容存儲(chǔ)型功率變換器

四相五管帶電容存儲(chǔ)型SR電動(dòng)機(jī)功率變換器主電路拓?fù)淙鐖D10所示。以A相為例說明電路的工作情況。S1開通，A繞組通電建立磁鏈，相電流iA沿圖11（a）所示路徑流動(dòng)；S1關(guān)斷且S0不開通，A相繞組經(jīng)過C0續(xù)流，且將繞組的磁能以電能的形式存儲(chǔ)存在電容器C0中，相電流iA沿圖11（b）所示路徑流動(dòng)；當(dāng)電容C0的電壓高于電源電壓時(shí)，開通開關(guān)S0，通過電感L0實(shí)現(xiàn)二次饋電，沿圖11（c）所示路徑流動(dòng)。

圖9

    四相五管帶電容存儲(chǔ)型SR電動(dòng)機(jī)功率變換器主電路拓?fù)浞治觯涸趫D11（a）所示的模式下，相應(yīng)的等式為（11）式；在圖11（b）所示的模式下，相應(yīng)的等式為（12）式；在圖11（c）所示的模式下，相應(yīng)的等式為（13）式。

Us-Us1=dψA/dt+RAiA (11)

Us-Uc0-Ud1=dψA/dt+RAiA (12)

-UL-UDL=dψA/dt+RAiA (13)

圖10

2 SR功率變換器拓?fù)涞膶?duì)比分析

在各電路工作原理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)上述電路的一些性能進(jìn)行對(duì)比分析，以供使用者參考。

圖11

3 功率變換器供電電路仿真

功率變換器向SR電動(dòng)機(jī)提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需的能量，由蓄電池或交流整流后得到的直流電供電。下面給出兩種整流電路的仿真模型及波形，分別如圖12、圖13所示。

圖12

    目前，針對(duì)不同的SR電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，已經(jīng)出現(xiàn)很多類型的功率變換器?？傮w來看，四相八管式SP電動(dòng)機(jī)功率變換器（不對(duì)稱半橋型）和四相五管（n+1）式SR電動(dòng)機(jī)功率變換器主電路應(yīng)用的比較多。系統(tǒng)中電機(jī)結(jié)構(gòu)形式、系統(tǒng)的性能要求、系統(tǒng)采用的控制策略、經(jīng)濟(jì)成本、應(yīng)用環(huán)境等是系統(tǒng)選擇功率變換器所需要考慮的幾個(gè)因素。為適應(yīng)SR驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，開發(fā)能夠獨(dú)立、快速又精確地對(duì)SR電機(jī)相電流進(jìn)行控制且主開關(guān)數(shù)目最少的功率變換器，特別是適合在低壓小功率場(chǎng)合應(yīng)用的功率變換器，是目前開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究方向之一。

圖13

　

  來源:xiangxueqin