新型功率变换器的设计
摘要：本文分析了常用的开关磁阻电机公共开关型功率变换器主电路。对续流阶段相电流的影响因素进行了理论分析，并说明了续流时间的长短直接影响到系统输出转矩和转矩脉动。
为了提高系统重载和高速时的调速性能，本文给出了几种新型的功率变换器主电路。通过仿真结果有效地说明了改进的新型功率变换器加速了绕组放电，缩短了续流时间，改善了电流波形，降低了转矩脉动并提高了系统的输出功率。
关键词：开关磁阻电机;功率变换器;续流电流;斩控升压
0、引言
开关磁阻电机驱动系统(SRD)是20 世纪80 年代迅猛发展起来的一种新型调速电机驱动系统，以其结构坚固，调速范围宽，调速性能优异，而且在整个调速范围内都具有较高的效率，系统可靠性高，成为各国研究和开发的热点之一[1] [2]。开关磁阻电机(SRM)是通过各相绕组依次通电拉动转子旋转，因此SRM 的转动严格依赖各相绕组的开通与关断。SRD中为了实现各相绕组的开通与关断，离不开特定的功率变换器主电路。功率变换器是SRM运行时所需能量的供给者，是系统的中枢执行机构。在整个SRD 成本中，功率变换器占有很大的比重，合理选择和设计功率变换器是提高SRD 性价比的关键之一。功率变换器主电路形式的选取直接影响SRM 的调速性能、转矩脉动等。
本文以公共开关型功率变换器为研究对象，分析了公共开关型功率变换器的优缺点。为了解决系统重载和高速运转时调速性能的下降，本文设计了几种新型的功率变换器，加快了绕组的放电过程，提高了系统的调速性能。
1、公共开关型功率变换器主电路分析
1.1 公共开关型功率变换器主电路拓扑结构
主电路设计是SRM 功率变换器设计的关键之一。目前应用最多的功率变换器主要为不对称半桥型和公共开关型。公共开关型功率变换器主电路拓扑结构如图1 所示。S1、S2、S3 为位置导通管，三相共用一个公共开关管S，公共开关管对供电相实施斩波控制。当S 与S1 同时导通时，电源向A 相绕组供电;当S1 导通、S 关断时，A 相电流经VD 续流;当S 和S1 都关断时，电源通过VD 和VD1 反加于A 相绕组两端，实现强迫续流换相;当S 导通，S1 关断时，相电流将经VD1 续流，因A 相绕组两端不存在与电源供电电压反极性的换相电压，不利于实现强迫换相。具有公共开关器件的功率变换器主电路有一只公共开关管在任一相导通时均开通，一只公共续流二极管在任一相续流时均参与续流。该电路所需的开关器件和二极管数量较传统的不对称半桥式功率变换器电路大大减少，其造价明显降低。
1.2 续流分析
开关磁阻电机续流阶段的性能直接影响调速系统的性能。在相绕组关断时刻相电流迅速下降回馈能量可以有效地缩短续流时间，提高输出转矩和系统效率[3]。
对于公共开关型功率变换器，当位置导通管关断时，单相绕组进入续流阶段，由于各相共用一个斩波管，其他相绕组仍需斩波信号提供换相转矩，斩波管无法关断仍然继续斩波，不利于实现强迫换相，其续流回路如图2 所示。图 3 为公共开关型功率变换器的仿真续流电流和PWM 波形对应关系图，其续流电流较陡峭，呈阶梯状。从图中可以分析， PWM 信号为高电平进行零电压续流，电流波形斜率趋于零，此时续流较缓慢; PWM 信号为低电平进行负电压续流，电流波形斜率较大，此时续流较迅速。不对称半桥型功率变换器可以在某相续流时将该相斩波管与位置管同时关断进行负电压续流，与PWM 信号无关。所以公共开关型功率变换器的续流时间比不对称半桥型功率变换器的续流时间明显变长，与PWM 占空比有关。由(5)式，续流总时间与PWM周期长短无关，与PWM占空比和续流电流斜率有关，PWM占空比越大则续流时间越长。若续流时间过长，续流结束时刻电流已经延伸到对应相电感的.下降区，必然会产生制动转矩[4]。
一般情况下，调速系统中常采用调节开通角和关断角来消除转矩死区，但不可避免地增加了软件的复杂程度，同时减小了相绕组电流维持最大值的时间。本文提出一种新的消除转矩死区的方法，即通过优化功率变换器主电路拓扑结构改变续流斜率k，加快绕组放电过程，从而消除死区电流导致的转矩死区，同时延长了相绕组电流维持最大有效值的时间[5]，原理如图5 所示。
2、新型功率变换器的设计
2.1 双极性电源公共开关型功率变换器
图 6 为本文设计的新型功率变换器主电路。该电路仍以公共开关型功率变换器为基础，在反向续流回路中加入电压Us 和滤波电容C1，电源系统采用双极性电源供电。
传统的功率变换器在绕组正向导通时，绕组两端承受正向电压Us，在反向续流时加在绕组两端的电压为-Us，斜率方程为：
( ) sU i R dL k di dtdt L? ? += = (6)该新型功率变换器在绕组正向导通时，绕组两端承受正向电压Us，在反向续流时加在绕组两端的电压为-2Us，斜率方程为：
2 ( ) sU i R dL k di dtdt L? ? += = (7)由(5)(6)(7)式分析可见续流时由于绕组两端反向电压的升高增大了续流斜率，从而缩短了续流时间，加快了绕组的放电过程。当PWM 占空比较大时，由(5)式，快速的放电过程有利于消除续流时间过长导致的转矩死区。
2.2 滑变调压公共开关型功率变换器
尽管双极性电源式的功率变换器已经能有效地较少死区电流产生的转矩死区，但是反向电压恒为-2Us，对不同SRD 并不一定能达到良好的效果，可能还需要更高的反向电压来消除转矩死区。如图7 所示为滑变调压式的新型功率变换器，供电电源采用+kUs(k>1)和-Us供电，通过滑动变阻器分压可任意调节反向续流时加在绕组两端的电压，加快电流释放过程，斜率方程为：由于供电需要两种不同大小的电压，不可避免地增加了电源系统的复杂程度。
2.3 Boost 斩控调压公共开关型功率变换器
为了实现反向电压大范围可调，现采用Boost 斩控调压器[6]和公共开关型功率变换器进行组合设计，得到新型的Boost 斩控调压公共开关型功率变换器，其主电路拓扑结构如图8所示。电源系统仍采用双极性电源供电，Boost 电路模块中Ls 为储能电感，ST 为Boost 升压直流斩波管，VDT 为逆止二极管，C1 为稳压电容。尽管该电路具有元器件成本高和结构复杂的缺点，但加入Boost 电路后，续流的加快使得系统在不产生负转矩情况下绕组可以相对关断晚一些，从而延长了相绕组电流维持最大值的时间，增加了系统的输出功率，提高了运行效率。转矩死区的消除也在一定程度上降低了转矩脉动。该新型功率变换器结构在最少开关器件的基础上加入了Boost 升压直流斩波模块，以提高相绕组电流续流时的衰减速度。除Boost 模块外，其工作过程与公共开关型主电路的工作过程一样。Boost 升压直流斩波模块是一个输出电压为Ud 的可控高效开关电源，反向续流时由C1 和Cs 共同提供反向电压。这种电路的好处是可以使C1 上的电压始终高于电源电压Us。实际应用中为了使电机达到良好的启动效果，应先对C1 进行预充电。
ST 导通时，Us 向Ls 充电，设充电电流恒为I1，同时C1 的电压向负载供电，提供反向续流电压。因为C1 值很大，输出电压Ud 为恒值。设ST 导通时间为ton，，此阶段Ls 上积蓄的能量为UsI1ton 。ST 关断时，Us 和Ls 共同向C1 充电并向负载供电，提供反向续流电压。设ST 的PWM 周期为T，占空比为D，则ST 关断的时间为T- ton，此期间电感Ls 释放的能量为 (Ud-Us)I1(T- ton)。稳态时，一个周期T 中Ls 积蓄能量与释放能量相等：理论上输出电压Ud 可以无限大，但实际受电子器件参数的限制Ud 不可能任意大，有一定的取值范围。Ud 越大，绕组放电越快，对应不同PWM 占空比，需要选择合适的Ud 值，与传统功率变换器相比，在其放电过程中绕组反向电压增加了-Ud 一项参数，加速了相电流衰减。通过调节Boost 斩波管可调节Ud 的大小，进而调节相电流的衰减速度，延长相绕组开通时间内的相电流维持最大值的时间而不会产生死区电流，改善了SRD 系统的调速性能。
2.4 三种新型功率变换器的对比
本文提出的三种新型功率变换器都有一定的实用性，对相绕组放电过程都有不同程度的改善，各有不同的优缺点，主要概括为三个方面，如表1 所示。
3、仿真结果
本文以三相 12/8 结构开关磁阻电机为研究对象，对性能最优的新型Boost 斩控调压公共开关型功率变换器和传统的公共开关型功率变换器进行仿真研究，并进行对比分析。调速方式采用PWM 电压斩波控制，电机本体非线性仿真模型利用Matlab/Simulink 模块建立[7]，功率变换器环节直接采用SimPowerSystems 模块搭建，此方法可以对电流波形、转矩波形等进行直观地分析。新型功率变换器仿真模块如图9 所示，开关器件统一采用MOSFET。仿真参数设置如下：两种功率变换器供电电源分别为+12v 和+12v、-12v，Boost 斩控调压模块中储能电容Ls 为1e-3H，稳压电容C1 为1F。如图10 所示，为传统功率变换器和新型功率变换器的相电流对比。PWM 占空比统一设置为0.4，关断角固定不变。图(a)为传统型相电流，其续流时间较长;图(b)为新型相电流，通过调节Boost 升压斩波管的PWM 占空比，设置Ud 为12v，则反向续流电压为-2Us，如图11(b)所示。
由于续流阶段增大了反向续流电压，只需要较少的几个PWM 斩波周期即可使续流电流快速衰减为零，其续流时间明显变短。由此可见，新型功率变换器在放电时大大加快了绕组中电流的衰减，达到了能量快速回馈给电源的目的。如图 12 所示，为传统功率变换器和新型功率变换器的相转矩对比。由续流阶段分析，PWM 占空比的增大会使相电流延伸到相电感的下降区，即相绕组在dL /dθ <0 区域内仍有回馈电流存在，系统周期性输出制动转矩，严重恶化转矩脉动，如图(a);由于采用Boost斩控调压模块，将Ud 调至20v，加快了续流时绕组电流的衰减，有效消除了制动转矩，在一定程度上降低了系统的转矩脉动，如图(b)。存在限制了系统总转矩，PWM 占空比为0.8 时将Ud 调至30v，完全消除了单相转矩死区，有效提升了总转矩，提高了系统的输出功率，使得系统带载能力加强。
4、结论
(1)本文分析了公共开关型功率变换器续流时间对调速系统的转矩输出和转矩脉动的影响，提出了通过增加反向续流电压来消除制动转矩和降低转矩脉动的方法。
(2)以公共开关型功率变换器为基础，在最少开关器件的基础上设计了三种新型的功率变换器：双极性电源型、滑变调压型、Boost 斩控调压型。这三种功率变换器都在不同程度上缩短了续流时间，达到了能量快速回馈给电源的目的。
(3)搭建开关磁阻电机非线性仿真模型，对传统的功率变换器和新型Boost 斩控调压型功率变换器分别进行了相电流、相电压、相转矩和总转矩的对比分析，有效地说明了新型功率变换器改善了电流波形，降低了转矩脉动，提高了输出功率。
[参考文献] (References)
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[2] 吴建华. 开关磁阻电机设计与应用[M]. 北京：机械工业出版社，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.
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[5] 柴春蕾，林辉. 开关磁阻电机驱动新型功率变换器分析与设计[J].电力电子技术，2007，49(9)：(41-43).
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[6] 王兆安，黄俊.电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社，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.
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