开关磁阻电机功率变换器设计

时间：2021-11-06 16:23:49

关键字：开关磁阻电机功率变换电路 Simulink 仿真设计

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[导读]摘要：开关磁阻电机驱动系统(SRD)是一种新型无级调速系统。文章以开关磁阻电机的功率变换器为主要研究对象,重点分析了经典的半桥型功率变换电路及一种新型的软开关功率变换电路，并对其进行了Matlab/Simulink仿真研究，比较了基于这两种功率变换电路的SRD在相同工作条件下所表现出的不同特性。

引言

开关磁阻电机驱动系统（SRD）是由电力电子技术、控制技术及计算机技术与传统磁阻电机相结合，发展起来的新型无级调速系统。功率变换器是开关磁阻电机驱动系统的重要组成部分，在电机成本中占有很大比重，其性能的好坏将直接影响到电机的工作效率和可靠性。功率变换器拓扑结构的不同主要表现在电机绕组回馈能量方式的差异上。本文将以开关磁阻电机功率变换器为研究对象。

1开关磁阻电机功率变换电路

1.1功率变换器简介

功率变换器调节不同的负载处于额定功率运行，同时也有不受电网波动影响的作用。功率变换器是通过电力电子装置进行的，既有直流功率变换器，也有交流功率变换器。其原理是在一个周期内调节导通时间或是在几个周期内调节若干个连续导通或关断时间来改变电机输出功率。

功率电子器件在调速系统及各种功率变换电路中运用广泛，以开关方式工作的电力电子器件是开关磁阻电机功率变换电路的基础及核心。目前，较常用的功率开关器件主要有以下几种：晶闸管（SCR）、双极型功率晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）、功率场效应晶体管（PowerMOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。本文中选择开关磁阻电机功率变换电路都是以IGBT为主开关器件。

1.2功率变换器的拓扑结构

功率变换器是开关磁阻电机驱动系统的重要组成部分，其拓扑结构具有多种形式，区别主要在于回收绕组释放磁场能量的方法不同。图1所示是一种不对称半桥式功率变换电路。

2功率变换器的设计

2.1新型功率变换电路的结构特点

新型功率变换器主电路的拓扑结构如图2所示，图中虚线框Ⅰ、Ⅱ以外是典型的不对称半桥式功率变换电路。其中A、B、C是SRM的三相绕组；S1～S6为相开关；D1～D6为各相绕组的续流二极管；虚线框Ⅰ以内的执行软开关辅助电路由谐振电感Lr，谐振电容Cr，辅助开关Sch、Sdis和二极管Dch、Dfr组成；虚线框Ⅱ内是RCD缓冲吸收回路，与主开关并联。

与传统的半桥式功率变换电路相比，本电路具有以下一些特点：电路中加入软开关辅助电路，只要适时控制辅助开关Sch、Sdis的通断，则可实现主开关的软开启和软关断；与主开关并联的RCD缓冲电路，因电容电压不能突变，可抑制IGBT关断时的过电压，同时可缓解导通时绕组磁链的波动。

2.2新型功率变换电路的工作原理分析

以A相绕组为例，其改进后的电路基本运行图如图3所示，图4显示了电路的基本波形。其中主开关S2的一个开关周期分为充电、PWM调制和放电三个阶段：

（1）在充电期间（如图4所示中的t0～t2）：t0之前，电容Cr已经在前面的周期内放电至零。在t0时刻，Dch零电流开关条件下导通，Cr通过电感Lr充电，通过1/2个谐振周期至t1时结束。由于Dch单向导电性，t1时刻之后ich=0，在t2时刻Sch在零电流条件关断。在t0时Sch打开，直流环节电压下降到零，于此，S2在零电压下打开。

（2）PWM期间（如图4所示中的t2到t3）：通过调节PWM的占空比可控制对SRM的能量输出。

（3）放电期间（如图4所示中的t3～t7）：在t3时刻，Sdis开启，电容Cr通过Lr放电，放电路径为Cr→Lr→U→S2→D1→Sdis。t5时刻后，负载电流开始流经Cr，Cr不断放电至零。最后，在t6时刻，Vcr=0，二极管Dfr导通，idis=0，负载电流依次通过D1、Dfr和S1。t6时刻后，Sdis关断，idis=0。

开关磁阻电机的控制策略一般分为三类，即脉宽调制（PWM）、角度位置控制（APC）和直流斩波控制（CCC）。适时控制Sch的导通时刻，可以在这三个控制策略上实现主开关的软开启与软关断。