新型功率變換器的設(shè)計
摘要：本文分析了常用的開關(guān)磁阻電機公共開關(guān)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(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)矩脈動并提高了系統(tǒng)的輸出功率。
關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機;功率變換器;續(xù)流電流;斬控升壓
0、引言
開關(guān)磁阻電機驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)，以其結(jié)構(gòu)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(guān)磁阻電機(SRM)是通過各相繞組依次通電拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因此SRM 的轉(zhuǎn)動嚴格依賴各相繞組的開通與關(guān)斷。SRD中為了實現(xiàn)各相繞組的開通與關(guān)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(gòu)。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(shè)計功率變換器是提高SRD 性價比的關(guān)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(zhuǎn)矩脈動等。
本文以公共開關(guān)型功率變換器為研究對象，分析了公共開關(guān)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(zhuǎn)時調(diào)速性能的下降，本文設(shè)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(guān)型功率變換器主電路分析
1.1 公共開關(guān)型功率變換器主電路拓撲結(jié)構(gòu)
主電路設(shè)計是SRM 功率變換器設(shè)計的關(guān)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(guān)型。公共開關(guān)型功率變換器主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。S1、S2、S3 為位置導通管，三相共用一個公共開關(guān)管S，公共開關(guān)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(guān)斷時，A 相電流經(jīng)VD 續(xù)流;當S 和S1 都關(guān)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(guān)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(guān)器件的功率變換器主電路有一只公共開關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)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(zhuǎn)矩和系統(tǒng)效率[3]。
對于公共開關(guān)型功率變換器，當位置導通管關(guān)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(zhuǎn)矩，斬波管無法關(guān)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(guān)型功率變換器的仿真續(xù)流電流和PWM 波形對應關(guān)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(guān)斷進行負電壓續(xù)流，與PWM 信號無關(guān)。所以公共開關(guān)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(guān)。由(5)式，續(xù)流總時間與PWM周期長短無關(guān)，與PWM占空比和續(xù)流電流斜率有關(guān)，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(jié)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(zhuǎn)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(guān)斷角來消除轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩死區(qū)的方法，即通過優(yōu)化功率變換器主電路拓撲結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(shè)計
2.1 雙極性電源公共開關(guān)型功率變換器
圖 6 為本文設(shè)計的新型功率變換器主電路。該電路仍以公共開關(guān)型功率變換器為基礎(chǔ)，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?qū)〞r，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?qū)〞r，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(zhuǎn)矩死區(qū)。
2.2 滑變調(diào)壓公共開關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(guān)型功率變換器進行組合設(shè)計，得到新型的Boost 斬控調(diào)壓公共開關(guān)型功率變換器，其主電路拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩情況下繞組可以相對關(guān)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(zhuǎn)矩死區(qū)的消除也在一定程度上降低了轉(zhuǎn)矩脈動。該新型功率變換器結(jié)構(gòu)在最少開關(guān)器件的基礎(chǔ)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(guān)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(guān)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(shè)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(shè)ST 導通時間為ton，，此階段Ls 上積蓄的能量為UsI1ton 。ST 關(guān)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(shè)ST 的PWM 周期為T，占空比為D，則ST 關(guān)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(jié)果
本文以三相 12/8 結(jié)構(gòu)開關(guān)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(guān)型功率變換器和傳統(tǒng)的公共開關(guān)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(zhuǎn)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(guān)器件統(tǒng)一采用MOSFET。仿真參數(shù)設(shè)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(shè)置為0.4，關(guān)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，嚴重惡化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，在一定程度上降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動，如圖(b)。存在限制了系統(tǒng)總轉(zhuǎn)矩，PWM 占空比為0.8 時將Ud 調(diào)至30v，完全消除了單相轉(zhuǎn)矩死區(qū)，有效提升了總轉(zhuǎn)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(jié)論
(1)本文分析了公共開關(guān)型功率變換器續(xù)流時間對調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩輸出和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和降低轉(zhuǎn)矩脈動的方法。
(2)以公共開關(guān)型功率變換器為基礎(chǔ)，在最少開關(guān)器件的基礎(chǔ)上設(shè)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(guān)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(zhuǎn)矩和總轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩脈動，提高了輸出功率。
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