引言

開關磁阻電機驅動系統(tǒng)（SRD）是由電力電子技術、控制技術及計算機技術與傳統(tǒng)磁阻電機相結合，發(fā)展起來的新型無級調速系統(tǒng)。功率變換器是開關磁阻電機驅動系統(tǒng)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(xiàn)在電機繞組回饋能量方式的差異上。本文將以開關磁阻電機功率變換器為研究對象。

1開關磁阻電機功率變換電路

1.1功率變換器簡介

功率變換器調節(jié)不同的負載處于額定功率運行，同時也有不受電網波動影響的作用。功率變換器是通過電力電子裝置進行的，既有直流功率變換器，也有交流功率變換器。其原理是在一個周期內調節(jié)導通時間或是在幾個周期內調節(jié)若干個連續(xù)導通或關斷時間來改變電機輸出功率。

功率電子器件在調速系統(tǒng)及各種功率變換電路中運用廣泛，以開關方式工作的電力電子器件是開關磁阻電機功率變換電路的基礎及核心。目前，較常用的功率開關器件主要有以下幾種：晶閘管（SCR）、雙極型功率晶體管（GTR）、可關斷晶閘管（GTO）、功率場效應晶體管（PowerMOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）。本文中選擇開關磁阻電機功率變換電路都是以IGBT為主開關器件。

1.2功率變換器的拓撲結構

功率變換器是開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的重要組成部分，其拓撲結構具有多種形式，區(qū)別主要在于回收繞組釋放磁場能量的方法不同。圖1所示是一種不對稱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

新型功率變換器主電路的拓撲結構如圖2所示，圖中虛線框Ⅰ、Ⅱ以外是典型的不對稱半橋式功率變換電路。其中A、B、C是SRM的三相繞組；S1～S6為相開關；D1～D6為各相繞組的續(xù)流二極管；虛線框Ⅰ以內的執(zhí)行軟開關輔助電路由諧振電感Lr，諧振電容Cr，輔助開關Sch、Sdis和二極管Dch、Dfr組成；虛線框Ⅱ內是RCD緩沖吸收回路，與主開關并聯(lián)。

與傳統(tǒng)的半橋式功率變換電路相比，本電路具有以下一些特點：電路中加入軟開關輔助電路，只要適時控制輔助開關Sch、Sdis的通斷，則可實現(xiàn)主開關的軟開啟和軟關斷；與主開關并聯(lián)的RCD緩沖電路，因電容電壓不能突變，可抑制IGBT關斷時的過電壓，同時可緩解導通時繞組磁鏈的波動。

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。其中主開關S2的一個開關周期分為充電、PWM調制和放電三個階段：

（1）在充電期間（如圖4所示中的t0～t2）：t0之前，電容Cr已經在前面的周期內放電至零。在t0時刻，Dch零電流開關條件下導通，Cr通過電感Lr充電，通過1/2個諧振周期至t1時結束。由于Dch單向導電性，t1時刻之后ich=0，在t2時刻Sch在零電流條件關斷。在t0時Sch打開，直流環(huán)節(jié)電壓下降到零，于此，S2在零電壓下打開。

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

（3）放電期間（如圖4所示中的t3～t7）：在t3時刻，Sdis開啟，電容Cr通過Lr放電，放電路徑為Cr→Lr→U→S2→D1→Sdis。t5時刻后，負載電流開始流經Cr，Cr不斷放電至零。最后，在t6時刻，Vcr=0，二極管Dfr導通，idis=0，負載電流依次通過D1、Dfr和S1。t6時刻后，Sdis關斷，idis=0。

開關磁阻電機的控制策略一般分為三類，即脈寬調制（PWM）、角度位置控制（APC）和直流斬波控制（CCC）。適時控制Sch的導通時刻，可以在這三個控制策略上實現(xiàn)主開關的軟開啟與軟關斷。

3開關磁阻電機驅動系統(tǒng)仿真研究

3.1仿真結構圖

圖5所示為通用開關磁阻電機驅動系統(tǒng)仿真結構圖。設置電機參數(shù)為：相電壓為240V,定子電阻為0.05Q,轉動慣量為0.05kg-m2,摩擦系數(shù)0.02仿真數(shù)據(jù)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，控制開通角40°關斷角75°

圖6(a)、(b)分別為不對稱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。

(a)不對稱半橋式功率變換電路仿真結構

圖6功率變換電路仿真結構

3.2仿真結果比較

圖7所示是磁鏈比較圖形。從仿真曲線中可以看出，基于半橋型功率變換電路的驅動系統(tǒng)中繞組開關導通時相磁鏈增大，無論啟動階段還是穩(wěn)定運行階段，磁鏈增大時都有較小幅度的波動，這不利于電機轉子的平穩(wěn)運轉；而基于新型功率變換電路的驅動系統(tǒng)克服了這一缺點，開關導通時磁鏈平穩(wěn)增加。

圖7磁鏈比較圖形

與磁鏈的仿真結果類似，圖8所示的電流仿真曲線在整個過程中，基于半橋型功率變換電路的驅動系統(tǒng)在電流上升時有小幅度的波動，并且在穩(wěn)定運行階段電流峰值不穩(wěn)定;基于新型功率變換電路的驅動系統(tǒng)穩(wěn)定運行時有較為穩(wěn)定的電流峰值，且電流增大時響應速度快，無前期的波動變化。

圖8電流比較圖形

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

圖9轉矩比較圖形

4結語

從本文的結果中可以看出，應用新型功率變化電路時，能明顯抑制電機繞組換相時磁鏈、電流在上升時的波動，并且電流、轉矩更快地降低趨于穩(wěn)定運行狀態(tài)；在穩(wěn)定運行階段電流變化峰值更為穩(wěn)定，轉矩脈動幅度更小，幅值穩(wěn)定。但同時新型的功率變換電路多用了開關器件，增加了成本。

本文提出的新型功率變電路主要是實現(xiàn)繞組主開關的軟開關，通過進行Matlab/Simulink開關磁阻電機仿真驅動系統(tǒng)運行得到的實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。

20211106_61863b305aa8e__開關磁阻電機功率變換器設計