基于開關磁阻電機系統的功率變換器設計

　　0 引 言

　　開關磁阻電機驅動系統（SRD）是由電力電子技術、控制技術及計算機技術與傳統磁阻電機相結合，發展起來的新型無級調速系統。功率變換器是開關磁阻電機驅動系統的重要組成部分，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導通時間或是在幾個周期內調節若干個連續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（Power MOSFET）、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的重要組成部分，其拓撲結構具有多種形式，區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 為各相繞組的續流二極管；虛線框Ⅰ以內的執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。

　　與傳統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，則可實現主開關的軟開啟和軟關斷；與主開關并聯的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：

　?。?）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，直流環節電壓下降到零，于此，S2 在零電壓下打開。

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

　?。?） 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.