讲座(三)开关磁阻电机功率变换器主电路拓扑结构

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讲座(三)开关磁阻电机功率变换器主电路拓扑结构

作 者 ：华中科技大学电气与电子工程学院    开关磁阻电机课题组

摘 要 ：本文对现有的开关磁阻电机功率变换器主电路进行了简单的分类，介绍了各类功率变换器的拓扑结构，并对所有的拓扑结构进行了比较，对选择SRD功率变换器有很强的指导意义。

英文摘 要 ：This paper makes a brief classification of switched reluctance drive power converter which has been developed ,presents different kinds of power converter topologies and compares them with each other. It is of great mean for selecting SRD power converter.

关键词： 开关磁阻电机   SRD   功率变换器   拓扑

1  引言     开关磁阻电机驱动系统是八十年代出现的一种机电一体化装置，它由开关磁阻电机、功率变换器、控制器和位置检测器组成[1]。开关磁阻电机结构简单、坚固、制造工艺简单，成本低，可工作于极高转速，同时随着电力电子器件、MCU和DSP的快速发展，功率变换器和控制器也得到了发展，使得SRD成为了一种很有前景的驱动系统。     SRD系统是典型的机电一体化系统，其功率变换器与控制器更是不可分离。在整个系统中，功率变换器中成本的比重很大，而且SRM由直流电压供电，绕组电流为单极性，电流波形受系统运行条件及电机设计参数的制约，很难准确预料，这些都使得功率变换器的设计以及开关器件的选择极为重要而又复杂。     本文先对现有的功率变换器进行简单的分类，然后分别介绍了各类功率变换器中的各种拓扑结构，最后对所有的拓扑结构进行了比较。 2  功率变换器的分类及设计要求     现有文献的开关磁阻电机功率变换器主电路拓扑结构有很多种，这些结构的区别在于去磁方式(即每个导通区间储存在每相绕组的能量是如何恢复的)的差异。据此，现有的功率变换器拓扑结构可以分成以下三类:半桥型、额外换相电路型、自换相电路型，如图1所示。 图1     开关磁阻电机功率变换器分类     开关磁阻电机的转矩与电流的方向无关[1]，对于给其供电的功率变换器仅需提供单极性的电流即可，因此，每相工作仅需一个开关器件，和同相数其他调速系统相比，逆变器所需总开关器件少，同时开关磁阻电机的绕组与开关器件串联，不会出现直接短路故障，可靠性好。一般说来，理想的SRM功率变换器应满足如下要求[2][3]: ·最少数量的开关器件; ·既适用于偶数相的SR电机，亦适用于奇数相的SR电机; ·可将全部电源电压加给电机的绕组; ·主开关器件的电压额定值与电机接近; ·具备迅速增加相绕组电流的能力; ·可通过主开关器件调制，有效地控制相电流; ·在绕组磁链减少的同时，能将能量回馈给电源。 3  各类功率变换器主电路拓扑 3.1半桥型     半桥型功率变换器控制方式灵活，有很多种改进形式，但总的来说需要元件数量较多，成本较高。     开关磁阻电机的功率变换器中，最灵活、应用最广泛的就是图2(a)所示的不对称桥式变换器[3]。每一相需要两个开关管T1、T2和两个二极管Dl、D2。当T1、T2同时闭合时，相绕组ph1充电;T1、T2同时打开后，ph1通过Dl、D2续流回馈能量。正是由于能量可以回馈，因此这种变换器效率很高。而且如果出现两相同时工作的情况，由于是各相独立的结构，因而互不影响。但是所需元件数量多，因此成本较高，主要应用在高电压大功率而且相数较少的场合。     为了保持不对称桥式变换器的优良性能，又尽量减少元件，进而出现了不少改进的拓扑结构。如图2(b)中，两相除了每相开关T1、T2，还公用了开关T3、T4，减少了开关个数，但是在每相回路中存在三个开关管，这样增加了损耗，也降低了电压利用率[4]。图2(c)中改进了这一问题[5]，如ph1相导通时，充电回路中仅含T1、T2两个开关管;而续流时，回路通过Dl、D3两个二极管，两相共用器件T1、D3。 图2     半桥型功率变换器 3.2 额外换相电路型 (1) 电容储能型     在此模式下，当主开关打开时，储存在绕组中的能量暂时储存到电容里，然后回馈给直流电源或是在下一相开通时给其供电。这样使得开通和关断时间都缩短，于是降低了开关损耗、提高效率，这尤其是在高速运行的时候表现明显。 图3(a)为分裂式直流电源功率变换器，当开关T1开通时，电容C1给ph1供电，T1关断时，ph1通过续流二极管给电容C2充电，将绕组能量转换为电容储能。 图3    电容储能型变换器(I)     图3(b)是在不对称半桥的基础上加了电容Cb1，让Cb1储能，这样可以提高下一相开通时电流上升的速度。图3(c)是图3(b)的的改进，Cb2比Cb1上的电压要低得多，因此可以选择较廉价的电容。 图3(d)中，有ph1、ph2两相。以ph1相为例说明，当T1打开后，ph1通过D3给C2充电，实现能量储存，当下一相ph2通电时，闭合T2和Ta2，这时两个回路同时给ph2充电，加速了开通速度。 图4    电容储能型变换器(Ⅱ)     图4(a)、(b)中所示为所谓的c-dump转换器[6]。它是利用一个串联(图4(a))或并联的电容(图4(b))，通过一个由Cb、Ta、Da和La组成的Buck(降压)DC-DC变换器，将能量回馈到直流母线上。Cb为附加储能电容，这种变换器有些文献中也将其称为含有DC－DC电路的变换器。用这样的方式来将能量从附加电容Cb传到下一个绕组中，可以保证电容不论放电或是过充电，关闭电压可以得到精确控制。不足之处在于元件数量增多，控制难度较大，而且器件的设计要求达到DC-DC变换器的高频(几十kHz以上)，而仅在电机绕组开通或关断时工作，造成一定的浪费。 (2) 电感储能型     如图5所示，电感储能式的变换器在一相中有两个绕组ph1a、ph1b相互耦合，辅助绕组ph1b的作用是将储存在磁芯中的能量回馈到直流侧中，每相仅需要一个开关器件，但辅助绕组不可能做到完全交链，因此需要额外缓冲电路，而且制作电机比较复杂(需要特制绕组)，辅助绕组的加入也加大了绕线体积，降低了单位体积铜的效用。 图5     电感存储型变换器 图6     耗能型功率变换器 (3) 能量消耗型     对储存在绕组中的剩余能量不是回馈，而是将其消耗掉。这样做的好处是减少了元件数量，使得结构和控制都变得简单。但是这样降低了效率，而且耗能电阻的发热要注意处理。此方法多应用在对效率要求不高而又强调成本低廉的小功率场合。图6(a)应用一个简单的电阻R来吸收ph中的剩余能量，图6(b)则将ph中的能量消耗在稳压管Dl上[7]。容易计算出消耗能量所需要的时间，如果需要电流快速减少，则电阻发热会比较集中，散热处理比较困难。 3.3 自换相电路型     应用谐振的原理，从而实现自动换相的功能。这样实际上也实现了软开关的功能，而且对谐振变换器应用的研究也方兴未艾，这种形式的变换器很有前途。 图7     自换相电路型功率变换器     图7(a)中所示电路与前面的有所不同的是它实际上应用的电源是一个等效的电流源，这使得换相时两相电流之和恒定为Io。换相的过程可分为两个阶段，以其中一次换相为例说明:开关T1打开、T2闭合的瞬间，ph1中电流不变(Io);随后，ph1中电流逐步减少，直到ph2中电流达到Io，换相结束。C1、C2和C3组成一个三角形电容网络，与相绕组组成谐振电路。     图7(b)是“H”桥电路[3]，该电路比四相电容分压时变换器少两只串联的分压电容，换相时时剩余的磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注入导通相绕组，引起中点电位有较大浮动。另外，该电路要求每一瞬间必须有上、下各一相导通。     图7(c)中所示电路能量回馈经过多次谐振[8]。T1断开后，ph1给Cb谐振充电，之后Ta合上，与Lb谐振，Dr2阻止反充电，Lb最终通过Drl将能量返回电源Vs。 4 各类功率变换器的比较     附表是各类功率变换器的比较表，其中m为相数，Vs为直流母线电压，Vt为开关管导通压降。表中对三种类型的功率变换器下的各种功率拓扑结构所需要的开关器件的数目、二极管的数目、适用相数、电源电压利用率、是否有能量回馈、能否迅速增加开通电流做了比较。 5  结束语     开关磁阻电机驱动系统功率变换器主电路有很多种拓扑结构，每一种拓扑都有优缺点，也就注定了每一种拓扑有其适用的范围，在拓扑的选择原则上要综合考虑，以发挥其最大效用。 近年来，电力电子器件有了长足的发展，这也为我们的选择提供了很大的余地，我们应该根据各种开关器件的性能以及主电路拓扑的机构选择即经济又适用的器件。 参考文献 [1] 詹琼华. 开关磁阻电动机[M]. 武汉:华中理工大学出版社,1992. [2] 张全柱,郝荣泰,邓新华. 开关磁阻电机的几种功率变换器拓扑的性能分析[J]. 电气传动自动化, 1995,17(4):50-54. [3] 王宏华. 开关型磁阻电动机调速控制技术[M]. 北京:机械工业出版社,1995. [4] A .Ometto，A Julian，and T.A. A novel low cost variable reluctance motor drive[J]. Int. Conf. Electric Machines Rec,vol. l ,pp 77-79,1994. [5] C. Pollock and B. W. Willianms .Power converter circuits for switched reluctance motor with the minimum number of switches[J]. Proc. Inst. Elect. Eng. Vol. 137,no.6,pp373-384,1990 [6] Hava A. M., Blasko V., Lipo T.A. A modified C-dump converter for variable reluctance machines[J]. Industry Applications，IEEE Transaction ，Volume:28, Issue:5，Sep/Oct 1992 pp:1017-1022. [7] Hoang Le-Huy , Phlippe Viarouge，Bruno Francoeur. Unipolar converters for switched reluctance motor[J]. IEEE ,1989. [8] cheng J,Yoshida M,Marai Y. Analysis and application of a part resonant circuit for switched reluctance motor[J]. The 25th Annual Conference of the IEEE,Volume:3, pp:1115-1120,1999.