新型功率變換器的設(shè)計(jì)
摘要：本文分析了常用的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)公共開(kāi)關(guān)型功率變換器主電路。對(duì)續(xù)流階段相電流的影響因素進(jìn)行了理論分析，并說(shuō)明了續(xù)流時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響到系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
為了提高系統(tǒng)重載和高速時(shí)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(guò)仿真結(jié)果有效地說(shuō)明了改進(jìn)的新型功率變換器加速了繞組放電，縮短了續(xù)流時(shí)間，改善了電流波形，降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)并提高了系統(tǒng)的輸出功率。
關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī);功率變換器;續(xù)流電流;斬控升壓
0、引言
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(SRD)是20 世紀(jì)80 年代迅猛發(fā)展起來(lái)的一種新型調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以其結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，調(diào)速范圍寬，調(diào)速性能優(yōu)異，而且在整個(gè)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(guó)研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一[1] [2]。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)是通過(guò)各相繞組依次通電拉動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因此SRM 的轉(zhuǎn)動(dòng)嚴(yán)格依賴各相繞組的開(kāi)通與關(guān)斷。SRD中為了實(shí)現(xiàn)各相繞組的開(kāi)通與關(guān)斷，離不開(kāi)特定的功率變換器主電路。功率變換器是SRM運(yùn)行時(shí)所需能量的供給者，是系統(tǒng)的中樞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在整個(gè)SRD 成本中，功率變換器占有很大的比重，合理選擇和設(shè)計(jì)功率變換器是提高SRD 性價(jià)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(dòng)等。
本文以公共開(kāi)關(guān)型功率變換器為研究對(duì)象，分析了公共開(kāi)關(guān)型功率變換器的優(yōu)缺點(diǎn)。為了解決系統(tǒng)重載和高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)調(diào)速性能的下降，本文設(shè)計(jì)了幾種新型的功率變換器，加快了繞組的放電過(guò)程，提高了系統(tǒng)的調(diào)速性能。
1、公共開(kāi)關(guān)型功率變換器主電路分析
1.1 公共開(kāi)關(guān)型功率變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
主電路設(shè)計(jì)是SRM 功率變換器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。目前應(yīng)用最多的功率變換器主要為不對(duì)稱半橋型和公共開(kāi)關(guān)型。公共開(kāi)關(guān)型功率變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。S1、S2、S3 為位置導(dǎo)通管，三相共用一個(gè)公共開(kāi)關(guān)管S，公共開(kāi)關(guān)管對(duì)供電相實(shí)施斬波控制。當(dāng)S 與S1 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源向A 相繞組供電;當(dāng)S1 導(dǎo)通、S 關(guān)斷時(shí)，A 相電流經(jīng)VD 續(xù)流;當(dāng)S 和S1 都關(guān)斷時(shí)，電源通過(guò)VD 和VD1 反加于A 相繞組兩端，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫續(xù)流換相;當(dāng)S 導(dǎo)通，S1 關(guān)斷時(shí)，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(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相。具有公共開(kāi)關(guān)器件的功率變換器主電路有一只公共開(kāi)關(guān)管在任一相導(dǎo)通時(shí)均開(kāi)通，一只公共續(xù)流二極管在任一相續(xù)流時(shí)均參與續(xù)流。該電路所需的開(kāi)關(guān)器件和二極管數(shù)量較傳統(tǒng)的不對(duì)稱半橋式功率變換器電路大大減少，其造價(jià)明顯降低。
1.2 續(xù)流分析
開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)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(shí)刻相電流迅速下降回饋能量可以有效地縮短續(xù)流時(shí)間，提高輸出轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)效率[3]。
對(duì)于公共開(kāi)關(guān)型功率變換器，當(dāng)位置導(dǎo)通管關(guān)斷時(shí)，單相繞組進(jìn)入續(xù)流階段，由于各相共用一個(gè)斬波管，其他相繞組仍需斬波信號(hào)提供換相轉(zhuǎn)矩，斬波管無(wú)法關(guān)斷仍然繼續(xù)斬波，不利于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換相，其續(xù)流回路如圖2 所示。圖 3 為公共開(kāi)關(guān)型功率變換器的仿真續(xù)流電流和PWM 波形對(duì)應(yīng)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(hào)為高電平進(jìn)行零電壓續(xù)流，電流波形斜率趨于零，此時(shí)續(xù)流較緩慢; PWM 信號(hào)為低電平進(jìn)行負(fù)電壓續(xù)流，電流波形斜率較大，此時(shí)續(xù)流較迅速。不對(duì)稱半橋型功率變換器可以在某相續(xù)流時(shí)將該相斬波管與位置管同時(shí)關(guān)斷進(jìn)行負(fù)電壓續(xù)流，與PWM 信號(hào)無(wú)關(guān)。所以公共開(kāi)關(guān)型功率變換器的續(xù)流時(shí)間比不對(duì)稱半橋型功率變換器的續(xù)流時(shí)間明顯變長(zhǎng)，與PWM 占空比有關(guān)。由(5)式，續(xù)流總時(shí)間與PWM周期長(zhǎng)短無(wú)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(shí)間越長(zhǎng)。若續(xù)流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，續(xù)流結(jié)束時(shí)刻電流已經(jīng)延伸到對(duì)應(yīng)相電感的.下降區(qū)，必然會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩[4]。
一般情況下，調(diào)速系統(tǒng)中常采用調(diào)節(jié)開(kāi)通角和關(guān)斷角來(lái)消除轉(zhuǎn)矩死區(qū)，但不可避免地增加了軟件的復(fù)雜程度，同時(shí)減小了相繞組電流維持最大值的時(shí)間。本文提出一種新的消除轉(zhuǎn)矩死區(qū)的方法，即通過(guò)優(yōu)化功率變換器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變續(xù)流斜率k，加快繞組放電過(guò)程，從而消除死區(qū)電流導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩死區(qū)，同時(shí)延長(zhǎng)了相繞組電流維持最大有效值的時(shí)間[5]，原理如圖5 所示。
2、新型功率變換器的設(shè)計(jì)
2.1 雙極性電源公共開(kāi)關(guān)型功率變換器
圖 6 為本文設(shè)計(jì)的新型功率變換器主電路。該電路仍以公共開(kāi)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(shí)，繞組兩端承受正向電壓Us，在反向續(xù)流時(shí)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(shí)，繞組兩端承受正向電壓Us，在反向續(xù)流時(shí)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(jiàn)續(xù)流時(shí)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(shí)間，加快了繞組的放電過(guò)程。當(dāng)PWM 占空比較大時(shí)，由(5)式，快速的放電過(guò)程有利于消除續(xù)流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩死區(qū)。
2.2 滑變調(diào)壓公共開(kāi)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(duì)不同SRD 并不一定能達(dá)到良好的效果，可能還需要更高的反向電壓來(lái)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(guò)滑動(dòng)變阻器分壓可任意調(diào)節(jié)反向續(xù)流時(shí)加在繞組兩端的電壓，加快電流釋放過(guò)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(fù)雜程度。
2.3 Boost 斬控調(diào)壓公共開(kāi)關(guān)型功率變換器
為了實(shí)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(kāi)關(guān)型功率變換器進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，得到新型的Boost 斬控調(diào)壓公共開(kāi)關(guān)型功率變換器，其主電路拓?fù)浣Y(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(chǔ)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(fù)雜的缺點(diǎn)，但加入Boost 電路后，續(xù)流的加快使得系統(tǒng)在不產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩情況下繞組可以相對(duì)關(guān)斷晚一些，從而延長(zhǎng)了相繞組電流維持最大值的時(shí)間，增加了系統(tǒng)的輸出功率，提高了運(yùn)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(dòng)。該新型功率變換器結(jié)構(gòu)在最少開(kāi)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(shí)的衰減速度。除Boost 模塊外，其工作過(guò)程與公共開(kāi)關(guān)型主電路的工作過(guò)程一樣。Boost 升壓直流斬波模塊是一個(gè)輸出電壓為Ud 的可控高效開(kāi)關(guān)電源，反向續(xù)流時(shí)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(shí)際應(yīng)用中為了使電機(jī)達(dá)到良好的啟動(dòng)效果，應(yīng)先對(duì)C1 進(jìn)行預(yù)充電。
ST 導(dǎo)通時(shí)，Us 向Ls 充電，設(shè)充電電流恒為I1，同時(shí)C1 的電壓向負(fù)載供電，提供反向續(xù)流電壓。因?yàn)镃1 值很大，輸出電壓Ud 為恒值。設(shè)ST 導(dǎo)通時(shí)間為ton，，此階段Ls 上積蓄的能量為UsI1ton 。ST 關(guān)斷時(shí)，Us 和Ls 共同向C1 充電并向負(fù)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(shí)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(shí)，一個(gè)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(wú)限大，但實(shí)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(duì)應(yīng)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(guò)程中繞組反向電壓增加了-Ud 一項(xiàng)參數(shù)，加速了相電流衰減。通過(guò)調(diào)節(jié)Boost 斬波管可調(diào)節(jié)Ud 的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)相電流的衰減速度，延長(zhǎng)相繞組開(kāi)通時(shí)間內(nèi)的相電流維持最大值的時(shí)間而不會(huì)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(duì)比
本文提出的三種新型功率變換器都有一定的實(shí)用性，對(duì)相繞組放電過(guò)程都有不同程度的改善，各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，主要概括為三個(gè)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)性能最優(yōu)的新型Boost 斬控調(diào)壓公共開(kāi)關(guān)型功率變換器和傳統(tǒng)的公共開(kāi)關(guān)型功率變換器進(jìn)行仿真研究，并進(jìn)行對(duì)比分析。調(diào)速方式采用PWM 電壓斬波控制，電機(jī)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(duì)電流波形、轉(zhuǎn)矩波形等進(jìn)行直觀地分析。新型功率變換器仿真模塊如圖9 所示，開(kāi)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(chǔ)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(duì)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(shí)間較長(zhǎng);圖(b)為新型相電流，通過(guò)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(gè)PWM 斬波周期即可使續(xù)流電流快速衰減為零，其續(xù)流時(shí)間明顯變短。由此可見(jiàn)，新型功率變換器在放電時(shí)大大加快了繞組中電流的衰減，達(dá)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(duì)比。由續(xù)流階段分析，PWM 占空比的增大會(huì)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，嚴(yán)重惡化轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，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(shí)繞組電流的衰減，有效消除了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在一定程度上降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，如圖(b)。存在限制了系統(tǒng)總轉(zhuǎn)矩，PWM 占空比為0.8 時(shí)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(qiáng)。
4、結(jié)論
(1)本文分析了公共開(kāi)關(guān)型功率變換器續(xù)流時(shí)間對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩輸出和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響，提出了通過(guò)增加反向續(xù)流電壓來(lái)消除制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的方法。
(2)以公共開(kāi)關(guān)型功率變換器為基礎(chǔ)，在最少開(kāi)關(guān)器件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(shí)間，達(dá)到了能量快速回饋給電源的目的。
(3)搭建開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)非線性仿真模型，對(duì)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(jìn)行了相電流、相電壓、相轉(zhuǎn)矩和總轉(zhuǎn)矩的對(duì)比分析，有效地說(shuō)明了新型功率變換器改善了電流波形，降低了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了輸出功率。
[參考文獻(xiàn)] (References)
[1] 王宏華. 開(kāi)關(guān)型磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.
[2] 吳建華. 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.
[3] Zhong Lianfang. An Investigation on Switched Reluctation Motor and Its Power Converter Circuits [J].Journalof South China University of Technology(Natural Science),1996,24.(1):57- 63.
[4] R Krishmam.Switched Reluctance Motor Drives:Modeling, Simulation, Analysis, Design, and Applications[M]. USA:CRC Press, 2001.
[5] 柴春蕾，林輝. 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)新型功率變換器分析與設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2007，49(9)：(41-43).
Chai Chunlei, Lin Hui. Analysis and Design of Novel Power Converter for SRD[J]. Power Electronics, 2007,49(9):(41-43).
[6] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.
[7] Chong Chul Kim，Jin Hur，Dong Seok Hyun.Simulation of a Switched Reluctance Motors using MatlabM—file [A].Proceedings of Industrial Electronics Society [C].2002(2):1066~1071.
【新型功率變換器的設(shè)計(jì)】相關(guān)文章：
新型裝飾材料在環(huán)境設(shè)計(jì)中的應(yīng)用12-15
新型物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的設(shè)計(jì)論文07-15
新型墻體材料有哪些應(yīng)用-新型墻體材料的應(yīng)用11-04
機(jī)械設(shè)計(jì)新型材料選用的注意事項(xiàng)論文07-27
如何提高簡(jiǎn)歷的成功率08-07
如何提高面試的成功率？10-14
如何提升面試的成功率09-06
如何提高功率因數(shù)的方法11-20