新型功率變換器的設計
摘要：本文分析了常用的開關磁阻電機公共開關型功率變換器主電路。對續(xù)流階段相電流的影響因素進行了理論分析，并說明了續(xù)流時間的長短直接影響到系統(tǒng)輸出轉矩和轉矩脈動。
為了提高系統(tǒng)重載和高速時的調(diào)速性能，本文給出了幾種新型的功率變換器主電路。通過仿真結果有效地說明了改進的新型功率變換器加速了繞組放電，縮短了續(xù)流時間，改善了電流波形，降低了轉矩脈動并提高了系統(tǒng)的輸出功率。
關鍵詞：開關磁阻電機;功率變換器;續(xù)流電流;斬控升壓
0、引言
開關磁阻電機驅動系統(tǒng)(SRD)是20 世紀80 年代迅猛發(fā)展起來的一種新型調(diào)速電機驅動系統(tǒng)，以其結構堅固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，而且在整個調(diào)速范圍內(nèi)都具有較高的效率，系統(tǒng)可靠性高，成為各國研究和開發(fā)的熱點之一[1] [2]。開關磁阻電機(SRM)是通過各相繞組依次通電拉動轉子旋轉，因此SRM 的轉動嚴格依賴各相繞組的開通與關斷。SRD中為了實現(xiàn)各相繞組的開通與關斷，離不開特定的功率變換器主電路。功率變換器是SRM運行時所需能量的供給者，是系統(tǒng)的中樞執(zhí)行機構。在整個SRD 成本中，功率變換器占有很大的比重，合理選擇和設計功率變換器是提高SRD 性價比的關鍵之一。功率變換器主電路形式的選取直接影響SRM 的調(diào)速性能、轉矩脈動等。
本文以公共開關型功率變換器為研究對象，分析了公共開關型功率變換器的優(yōu)缺點。為了解決系統(tǒng)重載和高速運轉時調(diào)速性能的下降，本文設計了幾種新型的功率變換器，加快了繞組的放電過程，提高了系統(tǒng)的調(diào)速性能。
1、公共開關型功率變換器主電路分析
1.1 公共開關型功率變換器主電路拓撲結構
主電路設計是SRM 功率變換器設計的關鍵之一。目前應用最多的功率變換器主要為不對稱半橋型和公共開關型。公共開關型功率變換器主電路拓撲結構如圖1 所示。S1、S2、S3 為位置導通管，三相共用一個公共開關管S，公共開關管對供電相實施斬波控制。當S 與S1 同時導通時，電源向A 相繞組供電;當S1 導通、S 關斷時，A 相電流經(jīng)VD 續(xù)流;當S 和S1 都關斷時，電源通過VD 和VD1 反加于A 相繞組兩端，實現(xiàn)強迫續(xù)流換相;當S 導通，S1 關斷時，相電流將經(jīng)VD1 續(xù)流，因A 相繞組兩端不存在與電源供電電壓反極性的換相電壓，不利于實現(xiàn)強迫換相。具有公共開關器件的功率變換器主電路有一只公共開關管在任一相導通時均開通，一只公共續(xù)流二極管在任一相續(xù)流時均參與續(xù)流。該電路所需的開關器件和二極管數(shù)量較傳統(tǒng)的不對稱半橋式功率變換器電路大大減少，其造價明顯降低。
1.2 續(xù)流分析
開關磁阻電機續(xù)流階段的性能直接影響調(diào)速系統(tǒng)的性能。在相繞組關斷時刻相電流迅速下降回饋能量可以有效地縮短續(xù)流時間，提高輸出轉矩和系統(tǒng)效率[3]。
對于公共開關型功率變換器，當位置導通管關斷時，單相繞組進入續(xù)流階段，由于各相共用一個斬波管，其他相繞組仍需斬波信號提供換相轉矩，斬波管無法關斷仍然繼續(xù)斬波，不利于實現(xiàn)強迫換相，其續(xù)流回路如圖2 所示。圖 3 為公共開關型功率變換器的仿真續(xù)流電流和PWM 波形對應關系圖，其續(xù)流電流較陡峭，呈階梯狀。從圖中可以分析， PWM 信號為高電平進行零電壓續(xù)流，電流波形斜率趨于零，此時續(xù)流較緩慢; PWM 信號為低電平進行負電壓續(xù)流，電流波形斜率較大，此時續(xù)流較迅速。不對稱半橋型功率變換器可以在某相續(xù)流時將該相斬波管與位置管同時關斷進行負電壓續(xù)流，與PWM 信號無關。所以公共開關型功率變換器的續(xù)流時間比不對稱半橋型功率變換器的續(xù)流時間明顯變長，與PWM 占空比有關。由(5)式，續(xù)流總時間與PWM周期長短無關，與PWM占空比和續(xù)流電流斜率有關，PWM占空比越大則續(xù)流時間越長。若續(xù)流時間過長，續(xù)流結束時刻電流已經(jīng)延伸到對應相電感的.下降區(qū)，必然會產(chǎn)生制動轉矩[4]。
一般情況下，調(diào)速系統(tǒng)中常采用調(diào)節(jié)開通角和關斷角來消除轉矩死區(qū)，但不可避免地增加了軟件的復雜程度，同時減小了相繞組電流維持最大值的時間。本文提出一種新的消除轉矩死區(qū)的方法，即通過優(yōu)化功率變換器主電路拓撲結構改變續(xù)流斜率k，加快繞組放電過程，從而消除死區(qū)電流導致的轉矩死區(qū)，同時延長了相繞組電流維持最大有效值的時間[5]，原理如圖5 所示。
2、新型功率變換器的設計
2.1 雙極性電源公共開關型功率變換器
圖 6 為本文設計的新型功率變換器主電路。該電路仍以公共開關型功率變換器為基礎，在反向續(xù)流回路中加入電壓Us 和濾波電容C1，電源系統(tǒng)采用雙極性電源供電。
傳統(tǒng)的功率變換器在繞組正向導通時，繞組兩端承受正向電壓Us，在反向續(xù)流時加在繞組兩端的電壓為-Us，斜率方程為：
( ) sU i R dL k di dtdt L? ? += = (6)該新型功率變換器在繞組正向導通時，繞組兩端承受正向電壓Us，在反向續(xù)流時加在繞組兩端的電壓為-2Us，斜率方程為：
2 ( ) sU i R dL k di dtdt L? ? += = (7)由(5)(6)(7)式分析可見續(xù)流時由于繞組兩端反向電壓的升高增大了續(xù)流斜率，從而縮短了續(xù)流時間，加快了繞組的放電過程。當PWM 占空比較大時，由(5)式，快速的放電過程有利于消除續(xù)流時間過長導致的轉矩死區(qū)。
2.2 滑變調(diào)壓公共開關型功率變換器
盡管雙極性電源式的功率變換器已經(jīng)能有效地較少死區(qū)電流產(chǎn)生的轉矩死區(qū)，但是反向電壓恒為-2Us，對不同SRD 并不一定能達到良好的效果，可能還需要更高的反向電壓來消除轉矩死區(qū)。如圖7 所示為滑變調(diào)壓式的新型功率變換器，供電電源采用+kUs(k>1)和-Us供電，通過滑動變阻器分壓可任意調(diào)節(jié)反向續(xù)流時加在繞組兩端的電壓，加快電流釋放過程，斜率方程為：由于供電需要兩種不同大小的電壓，不可避免地增加了電源系統(tǒng)的復雜程度。
2.3 Boost 斬控調(diào)壓公共開關型功率變換器
為了實現(xiàn)反向電壓大范圍可調(diào)，現(xiàn)采用Boost 斬控調(diào)壓器[6]和公共開關型功率變換器進行組合設計，得到新型的Boost 斬控調(diào)壓公共開關型功率變換器，其主電路拓撲結構如圖8所示。電源系統(tǒng)仍采用雙極性電源供電，Boost 電路模塊中Ls 為儲能電感，ST 為Boost 升壓直流斬波管，VDT 為逆止二極管，C1 為穩(wěn)壓電容。盡管該電路具有元器件成本高和結構復雜的缺點，但加入Boost 電路后，續(xù)流的加快使得系統(tǒng)在不產(chǎn)生負轉矩情況下繞組可以相對關斷晚一些，從而延長了相繞組電流維持最大值的時間，增加了系統(tǒng)的輸出功率，提高了運行效率。轉矩死區(qū)的消除也在一定程度上降低了轉矩脈動。該新型功率變換器結構在最少開關器件的基礎上加入了Boost 升壓直流斬波模塊，以提高相繞組電流續(xù)流時的衰減速度。除Boost 模塊外，其工作過程與公共開關型主電路的工作過程一樣。Boost 升壓直流斬波模塊是一個輸出電壓為Ud 的可控高效開關電源，反向續(xù)流時由C1 和Cs 共同提供反向電壓。這種電路的好處是可以使C1 上的電壓始終高于電源電壓Us。實際應用中為了使電機達到良好的啟動效果，應先對C1 進行預充電。
ST 導通時，Us 向Ls 充電，設充電電流恒為I1，同時C1 的電壓向負載供電，提供反向續(xù)流電壓。因為C1 值很大，輸出電壓Ud 為恒值。設ST 導通時間為ton，，此階段Ls 上積蓄的能量為UsI1ton 。ST 關斷時，Us 和Ls 共同向C1 充電并向負載供電，提供反向續(xù)流電壓。設ST 的PWM 周期為T，占空比為D，則ST 關斷的時間為T- ton，此期間電感Ls 釋放的能量為 (Ud-Us)I1(T- ton)。穩(wěn)態(tài)時，一個周期T 中Ls 積蓄能量與釋放能量相等：理論上輸出電壓Ud 可以無限大，但實際受電子器件參數(shù)的限制Ud 不可能任意大，有一定的取值范圍。Ud 越大，繞組放電越快，對應不同PWM 占空比，需要選擇合適的Ud 值，與傳統(tǒng)功率變換器相比，在其放電過程中繞組反向電壓增加了-Ud 一項參數(shù)，加速了相電流衰減。通過調(diào)節(jié)Boost 斬波管可調(diào)節(jié)Ud 的大小，進而調(diào)節(jié)相電流的衰減速度，延長相繞組開通時間內(nèi)的相電流維持最大值的時間而不會產(chǎn)生死區(qū)電流，改善了SRD 系統(tǒng)的調(diào)速性能。
2.4 三種新型功率變換器的對比
本文提出的三種新型功率變換器都有一定的實用性，對相繞組放電過程都有不同程度的改善，各有不同的優(yōu)缺點，主要概括為三個方面，如表1 所示。
3、仿真結果
本文以三相 12/8 結構開關磁阻電機為研究對象，對性能最優(yōu)的新型Boost 斬控調(diào)壓公共開關型功率變換器和傳統(tǒng)的公共開關型功率變換器進行仿真研究，并進行對比分析。調(diào)速方式采用PWM 電壓斬波控制，電機本體非線性仿真模型利用Matlab/Simulink 模塊建立[7]，功率變換器環(huán)節(jié)直接采用SimPowerSystems 模塊搭建，此方法可以對電流波形、轉矩波形等進行直觀地分析。新型功率變換器仿真模塊如圖9 所示，開關器件統(tǒng)一采用MOSFET。仿真參數(shù)設置如下：兩種功率變換器供電電源分別為+12v 和+12v、-12v，Boost 斬控調(diào)壓模塊中儲能電容Ls 為1e-3H，穩(wěn)壓電容C1 為1F。如圖10 所示，為傳統(tǒng)功率變換器和新型功率變換器的相電流對比。PWM 占空比統(tǒng)一設置為0.4，關斷角固定不變。圖(a)為傳統(tǒng)型相電流，其續(xù)流時間較長;圖(b)為新型相電流，通過調(diào)節(jié)Boost 升壓斬波管的PWM 占空比，設置Ud 為12v，則反向續(xù)流電壓為-2Us，如圖11(b)所示。
由于續(xù)流階段增大了反向續(xù)流電壓，只需要較少的幾個PWM 斬波周期即可使續(xù)流電流快速衰減為零，其續(xù)流時間明顯變短。由此可見，新型功率變換器在放電時大大加快了繞組中電流的衰減，達到了能量快速回饋給電源的目的。如圖 12 所示，為傳統(tǒng)功率變換器和新型功率變換器的相轉矩對比。由續(xù)流階段分析，PWM 占空比的增大會使相電流延伸到相電感的下降區(qū)，即相繞組在dL /dθ <0 區(qū)域內(nèi)仍有回饋電流存在，系統(tǒng)周期性輸出制動轉矩，嚴重惡化轉矩脈動，如圖(a);由于采用Boost斬控調(diào)壓模塊，將Ud 調(diào)至20v，加快了續(xù)流時繞組電流的衰減，有效消除了制動轉矩，在一定程度上降低了系統(tǒng)的轉矩脈動，如圖(b)。存在限制了系統(tǒng)總轉矩，PWM 占空比為0.8 時將Ud 調(diào)至30v，完全消除了單相轉矩死區(qū)，有效提升了總轉矩，提高了系統(tǒng)的輸出功率，使得系統(tǒng)帶載能力加強。
4、結論
(1)本文分析了公共開關型功率變換器續(xù)流時間對調(diào)速系統(tǒng)的轉矩輸出和轉矩脈動的影響，提出了通過增加反向續(xù)流電壓來消除制動轉矩和降低轉矩脈動的方法。
(2)以公共開關型功率變換器為基礎，在最少開關器件的基礎上設計了三種新型的功率變換器：雙極性電源型、滑變調(diào)壓型、Boost 斬控調(diào)壓型。這三種功率變換器都在不同程度上縮短了續(xù)流時間，達到了能量快速回饋給電源的目的。
(3)搭建開關磁阻電機非線性仿真模型，對傳統(tǒng)的功率變換器和新型Boost 斬控調(diào)壓型功率變換器分別進行了相電流、相電壓、相轉矩和總轉矩的對比分析，有效地說明了新型功率變換器改善了電流波形，降低了轉矩脈動，提高了輸出功率。
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