開關(guān)磁阻電機功率變換器主電路拓撲的研究
開關(guān)磁阻電機功率變換器主電路拓撲的研究
開關(guān)磁阻電機（SRM）轉(zhuǎn)子上無繞組，定子上為集中繞組，其結(jié)構(gòu)簡單、堅固，工作可靠，因而使其逐漸受到廣泛重視。其實泰勒早在1839年中就提出了SRM，但之后很長的時間卻幾乎無人問津這其中主要原因是SRM的功率變換器在當時幾乎是不可能實現(xiàn)的。近二三十年，隨著電力電子器件、MCU、DSP的快速發(fā)展，使得功率變換器和控制器也有了發(fā)展的基礎(chǔ)。
SRM系統(tǒng)是典型的機電一體化系統(tǒng)，其功率變換器與控制器更是不可分離。在整個系統(tǒng)中，功率變換器中成本的比重很大，而且SRM工作電流電壓并非正弦波，而是受系統(tǒng)運行條件及電機設(shè)計參數(shù)的制約，很難準確預(yù)料，這些都使得功率變換器的設(shè)計以及開關(guān)器件的選擇極為重要而又復(fù)雜。
本文主要介紹了功率變換器的各類拓撲及其適用場合，還簡要介紹了功率變換器件的性能及其選擇原則。
2功率變換器的設(shè)計要求（）盡量使用最少數(shù)量的開關(guān)器件；最好功率變換器既適用偶數(shù)相，又適合奇數(shù)相；主開關(guān)器件的電壓額定值與電機接近；具有迅速增加相繞組電流的能力；（）可通過開關(guān)器件調(diào)制、控制相電流；（6）在磁鏈減少時，能回饋能量，盡量提高效率。
當然，這些要求不能孤立地看，比如說在高電壓大功率的情形，如果我們一味強調(diào)使用最少數(shù)量的開關(guān)器件，那么勢必提高開關(guān)器件的電壓，這樣有可能降低系統(tǒng)的可靠性而且增加成本。所以設(shè)計功率變換器要綜合考慮性能和成本等因素。
3各種功率變換器主電路拓撲3.1半橋式半橋式功率變換器控制方式靈活，有很多種改進形式，但總的來說需要元件數(shù)量較多，成本較高。
開關(guān)磁阻電機的功率變換器中，最靈活、應(yīng)用最廣泛的就是（a）所示的不對稱橋式變換器。
每一相需要兩個開關(guān)管T1、T2和兩個二極管D1、同時打開后，phi通過D1、D2續(xù)流回饋能量。正是由于能量可以回饋，因此這種變換器效率很高。而且如果出現(xiàn)兩相同時工作的情況，由于各相獨立的結(jié)構(gòu)，是互不影響的。但是所需元件數(shù)量多，因此成本較高，主要應(yīng)用在高電壓大功率而且相數(shù)較少的場合。
為了保持不對稱橋式變換器的優(yōu)良性能，又盡量減少元件，進而出現(xiàn)了不少拓撲結(jié)構(gòu)。如（b）中，兩相除了每相開關(guān)T1、T2還公用了開關(guān)T3、T4減少了開關(guān)個數(shù)，但是在每相的回路中存在三個開關(guān)管，這樣增加了損耗，也降低了電壓利用率。（）中改進了這一問題中介紹La可改為阻尼電阻或采用斬波方式限流。
（b）是在不對稱半橋的基礎(chǔ)上加了電容Cb1，讓Cb1儲能，這樣可以提高下一相開通時電流上升的速度。（）是（b）的改進，Cb2比Cb1上的電壓要低得多因此可以選擇較廉介的電容。Pul 3.2電容儲能式器它是利用一個串聯(lián)（（a））或并聯(lián)的電容（（b）），通過一個由Cb、Ta、Da和La組成的Buck（降壓）DC―DC變換器，將能量回饋到直流母線上。Cb為附加儲能電容，這種變換器有些中也將其稱為含有DC―DC電路的變換器。用這樣的方式來將能量從附加電容Cb傳到下一個繞組中，可以保證電容不過放電或是過充電，關(guān)閉電壓可以得到精確控制。不足之處在于元件數(shù)量增多，控制難度較大，而且器件的設(shè)計要求達到DC―DC變換器的高頻（幾十k以上），而僅在電機繞組開通或關(guān)斷時工作，造成一定的浪費。
3.3電感儲能式兩個繞組ph1a、ph1b相互耦合，輔助繞組phlb的作用是將儲存在磁芯中的能量回饋到DC中。這樣做最大的好處是能把頻率提高。但是輔助繞組不可能做到完全交鏈，因此需要額外緩沖電路，而且制作電機比較復(fù)雜（需要特制繞組），輔助繞組的加入也加大了繞線體積，降低了單位體積銅的效用。
3.4能耗式對儲存在繞組中的剩余能量不是回饋，而是將其消耗掉。這樣做的好處是減少了元件數(shù)量，使得結(jié)構(gòu)和控制都變得簡單。但是這樣降低了效率，而且耗能電阻的發(fā)熱要注意處理。此方法多應(yīng)用在對效率要求不高而又強調(diào)成本低廉的小功率場合。（a）應(yīng)用一個簡單的電阻R來吸收能量ph中的剩余能量，（b）則將ph中的能量消耗在穩(wěn)壓管D1上。T1斷開后，ph1給Cb諧振充電，之后Ta合上，Cb與Lb諧振，Dr2阻止反充電，Lb最終通過Dr1將能量返回電源Vs. 3.6各類功率變換器的比較表1是各類功率變換器的比較，表中數(shù)都是m類別開關(guān)數(shù)量二極管數(shù)適用相數(shù)電源電壓利用率是否有能量回饋能否迅速增加開通電流半橋式。
3Vt有不能。cmm偶數(shù)Vs― 3Vt有不能。2mm+1偶數(shù)Vs/2―Vt有能電容儲能式。a2m奇偶Vs+ Vt有不能電感儲能式mm奇偶Vs― Vt有不能能耗式。amm奇偶Vs― Vt無不能。bmm奇偶Vs― Vt―Vd無不能諧振式。amm3的倍數(shù)（Vs―V）/2有能。bmm4的倍數(shù)Vs―Vt有不能。cm+1m+2奇偶Vs― 2Vt有不能表1功率變換器的比較表4功率變換器中的主開關(guān)器件SRM系統(tǒng)根據(jù)輸出特性不同，電流波形也不同及高性能的調(diào)速特性，給功率變換器也提出了相對感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)更加嚴格的要求。合理選擇與電動機功率等級、供電電壓、峰值電流、成本等有關(guān)，另外還與主開關(guān)器件本身的開關(guān)速度、觸發(fā)難易、開關(guān)損耗、抗沖擊性、耐用性、并聯(lián)運行的難易程度、峰值電流額定有效值（或平均值）電流定額的比值大小及市場普及程度等有關(guān)。以下是幾種主要應(yīng)用開關(guān)器件的各自特點以及應(yīng)用場合。微電機，2⑴0大學(xué)電器自動化專業(yè)，現(xiàn)為華南理工大學(xué)電力學(xué)院研究生，電力電子及電氣傳動專業(yè)，研究方向為開關(guān)磁阻電機的控制
