基于开关磁阻电动机的功率变换器的研究

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:对开关磁阻电动功率变量器的五种拓扑结构进行分析,给出了各种功率变换器的工作线路图,并对每一种功率变换器的拓扑性能、特点及应用进行了研究。最后对于功率变换器拓扑的发展方向提出看法。 关键词:开关磁电动机(SR)拓扑结构 功率变换器 开关磁阻调速电动机(SRD)是一种新型的交流无级调整系统,由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器、位置检测器四部分构成。在光、电、机的共同作用下,形成电机的连续运转。开关磁阻调速电动机控制系统基本结构见图1。 功率变换器是驱动开关磁阻电动机的电路装置,为其提供电能。对功率变换器功率开关的通断状态进行合理的控制可实现电机的调速动转。功率变换 器主电路拓扑形式的选取与供电电压、电机相数、主开关器件的种类有密切的关系。合理选择和设计功率变换器是提高SRD的性能价格比的关键之一。虽然功率变换 器电路的拓扑形式多种多样并各有其特点,但目前并未形成理论定式(固定模式)。一般来说,选取理想的SR功率变换器的原则是:电路拓扑与电动机结构匹配、效率高、控制方便、结构简单、成本低。 1 功率变换器主电路工作分析 SRD系统的性能和成本很大程度上取决于功率变换器的性能和成本,所以对功率变换 器的研究意义重大。目前研究主要集中在功率变换器拓扑结构的设计、主开关器件选择和使用等方面。 1.1 四相八管式功率变换器 四相八管式SR电动机功率变换器主电路拓扑如图2所示,其中A、B、C、D各相分别有两只主开关和两只续流二极管与直流电源相连。此电路有三种工作状态。以A相为例,触发T1、T2,两开关管都导通,直流电源如到A相绕组,建立电流和磁链,相电流iA沿图3(3)所示路径流动。当T1和T2中有一个管子关断,A相绕组电流在T1、D2或T2、D1构成的回路中续流。这一过程可减小电流的脉动,相电流iA沿图3(b)所示路径流动。T1和T2都关断,相电源通过D1、D2续流,此时磁链迅速下降,绕组能量回馈电源。相电流iA沿图3(c)所示路径流动。 四相八管式SR电动机功率变换主电路拓扑工作模式分析:在图3(a)所示的模式下直流电源电压提供给电机A相绕组励磁能量。相应的等式为(1)式,式中UT为主开关通态饱和压降,RA为A相电阻,ψA为A相磁链。在图3(b)所式模式下,设上开关管关断,相应的等式为(2)式;Ud为二极管导通压降。在图3(c)模式下,相应的等式为(3)式。 Us-2UT=dψA/dt+RaiA (1) -UT-UD=dψA/dt+RaiA (2) -Us-2UD=dψA/dt+RaiA (3) 1.2 四相四管双绕组式功率变换器 四相四管双绕组式SR电动机功率变换器主电路拓扑如图4所示。A、B、C、D各相分别有两个绕组,每相的一边绕组与开关器件相连,另一边绕组与续流二极管相连。此电路有两种工作状态。以A相为例,T1管在A相的一边绕组中建立电流,相电流iA沿图5(a)所示路径流动;T1管关断,通过另一边绕组和D1回馈电流。相电流iA沿图5(b)所示路径流动。 四相四管双绕组式SR电动机功率变换器主电路拓扑工作模式分析:在图5(a)所示的模式下,相应的等式为(4)式,iA1为与主开关相联的绕组中电流,RA1为与主开关相联的绕组的电阻。在图5(b)所示的模式下,相应的等式为(5)式,iA2为与二极管相联的绕组中电流,RA2为与二极管相联的绕组的电阻。 Us-UT=dψA/dt+RA1iA1 (4) -Us-UD=dψA/dt+RA2iA2 (5) 1.3 四相四管等分直流电源型功率变换器 四相四管等分直流电源型SR电动机功率变换器主电路拓扑如图6所示。每相用一个开关器件,靠同容量的电容将直流电源等分。此电路的工作状态用A、B两相来说明。A相工作时,S1开通,由C1向A绕组建立电流;S1关断,D1续流回馈电流给C2,相电流iA沿图7(a)所示路径流动。B相中的开关管和续流二极管位置与A相对调,目的是保证正、负电源供电平衡。B相工作时,相电流iB沿图7(b)所示路径流动。C、D相同理。 四相四管等分直流电源式SR电动机功率变换器主电路拓扑分析:在图7(a)所示的模式下,直流电源给A相供电,相应的等式为(6)式,开关断开相应的等式为(7)式。 Us/2-Us1=dψA/dt+RAiA (6) -Us/2-UD1=dψA/dt+RAiA (7) 1.4 四相五管(n+1)式功率变换器 四相五管(n+1)式SR电动机功率变换器主电路拓扑如图8所示。电路中除各相开关及各相续流二极管外,还有一公共斩波主开关及公共续流二极管。此电路有三种运动状态。以A相为例:公共主开关S0和A相主开关S1开通,电源向A绕组输送电流,相电流iA沿图9(a)所示路径流动;公共主开关S0斩波,A相径S1、D0自然续流,相电流iA沿图9(b)所示路径流动;S0、S1关断,A相径D0、D1续流,进一步减小磁化电流,向电容C回馈电能,相电流iA沿图9(c)所示路径流动。需要重点说明的是,就本电路而言,当S0导通、S1断开时,如果相绕组能量没有耗尽,相电流将经过D1续流,这不利于换相,在设计时要给予考虑。 四相五管(n+1)式SR电动机功率变换器主电路拓扑分析:在图9(a)所示的模式下,直流电源给A相供电,相应的等式为(8)式;在图9(b)所示的模式下,相应的等式为(9)式;在图9(c)所示的模式下,相应的等式为(10)式。 Us-Us0-Us1=dψA/dt+RAiA (8) -Us0-Ud0=dψA/dt+RAiA (9) -Us-UD0-Udt=dψA/dt+RAiA (10) 1.5 四相五管带电容存储型功率变换器 四相五管带电容存储型SR电动机功率变换器主电路拓扑如图10所示。以A相为例说明电路的工作情况。S1开通,A绕组通电建立磁链,相电流iA沿图11(a)所示路径流动;S1关断且S0不开通,A相绕组经过C0续流,且将绕组的磁能以电能的形式存储存在电容器C0中,相电流iA沿图11(b)所示路径流动;当电容C0的电压高于电源电压时,开通开关S0,通过电感L0实现二次馈电,沿图11(c)所示路径流动。 图9 四相五管带电容存储型SR电动机功率变换器主电路拓扑分析:在图11(a)所示的模式下,相应的等式为(11)式;在图11(b)所示的模式下,相应的等式为(12)式;在图11(c)所示的模式下,相应的等式为(13)式。 Us-Us1=dψA/dt+RAiA (11) Us-Uc0-Ud1=dψA/dt+RAiA (12) -UL-UDL=dψA/dt+RAiA (13) 图10 2 SR功率变换器拓扑的对比分析 在各电路工作原理分析的基础上,对上述电路的一些性能进行对比分析,以供使用者参考。 图11 3 功率变换器供电电路仿真 功率变换器向SR电动机提供运转所需的能量,由蓄电池或交流整流后得到的直流电供电。下面给出两种整流电路的仿真模型及波形,分别如图12、图13所示。 图12 目前,针对不同的SR电机调速系统,已经出现很多类型的功率变换器。总体来看,四相八管式SP电动机功率变换器(不对称半桥型)和四相五管(n+1)式SR电动机功率变换器主电路应用的比较多。系统中电机结构形式、系统的性能要求、系统采用的控制策略、经济成本、应用环境等是系统选择功率变换器所需要考虑的几个因素。为适应SR驱动系统的发展,开发能够独立、快速又精确地对SR电机相电流进行控制且主开关数目最少的功率变换器,特别是适合在低压小功率场合应用的功率变换器,是目前开关磁阻电动机驱动系统的研究方向之一。 图13
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