2、新型功率变换器的设计(第2页)

　　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。