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。