基于三相全橋逆變器的開關磁阻電機控制

湯一林, 施火泉, 焦山旺

(江南大學輕工過程先進控制教育部重點實驗室,江蘇無錫214122)

基于三相全橋逆變器的開關磁阻電機控制

湯一林, 施火泉*, 焦山旺

(江南大學輕工過程先進控制教育部重點實驗室,江蘇無錫214122)

采用標準三相全橋逆變器通用模塊作為功率變換器,可以顯著降低開關磁阻電機驅動系統的整體成本。研究了三相不對稱半橋與三相全橋作為功率變換器的控制策略,主要分析了三相全橋逆變器驅動星型接法的開關磁阻電機的運行機理,通過Matlab仿真驗證理論分析的可行性。

開關磁阻電機;三相全橋逆變器;星型接法;兩相勵磁

近年來,開關磁阻電機(switched reluctance motor,SRM)以其簡單堅固、造價低、高可靠性、良好的性價比以及調速范圍寬等諸多優點受到了廣泛關注[1]。這些優勢使SRM相比其他電機具有更強的競爭力。SRM不能直接由交直流電源供電進行驅動,而需要一個逆變器將電源提供的能量經變換后實現運行。SRM最常用的功率變換器拓撲結構是不對稱半橋逆變器。雖然這類拓撲結構簡單且可以在控制上提供最大程度的自由,但其主要缺點是脈動相對較大,功率回路與電機的接線較多,需要獨立配置電源模塊與保護電路,這將影響系統的整體成本與穩定性,還增加了系統的復雜度[2]。

事實上,由于SRM缺少標準的逆變器作為功率變換器模塊,使得SRM驅動器的價格高于其他傳統交流電機。三相全橋逆變器作為標準功率變換器已廣泛使用于三相交流電機,其具備完整成熟的通用模塊。一些研究人員已成功實現了用標準三相全橋逆變器驅動三角形接法和星形接法的SRM[3]。三相全橋逆變器作為三相交流電機的標準驅動器量大面廣,許多制造商都以具有競爭力的價格提供品種齊全的三相全橋逆變器驅動電源模塊和保護電路。當這些通用模塊應用到開關磁阻電機驅動系統中時,SRM驅動器的整體成本可顯著降低。

文中討論了不對稱半橋與三相全橋逆變器驅動開關磁阻電機的控制策略,介紹了使用三相全橋拓撲結構時繞組的三角形接法和星型接法兩種結構,就三相全橋逆變器驅動星型接法的SRM的控制方法做進一步探討,并基于Matlab仿真驗證理論的可行性。

1 SRM的驅動原理

SRM是根據磁阻變化工作的,工作時各相磁路的磁阻隨轉子轉動而改變,電機的磁場能也隨轉子位置改變而變化。與步進電機一樣,它也遵循“磁阻最小原則”,即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合,迫使轉子旋轉到當前磁阻最小位置。SRM的轉向與相繞組的電流方向無關,而僅取決于相繞組的通電順序。若改變相電流的大小,就會改變電動機的轉矩,從而改變電動機的轉速。因此控制SRM的換相順序和相電流的大小,就能達到控制電機的目的。

以一個三相6/4級SRM為研究對象,忽略磁路飽和,轉矩公式如下:

式中:θ為轉子位置角;Lj為相電感;ij為相電流。

當SRM工作在電動狀態下,轉子極靠近與定子極對齊的位置,即d L/dθ＞0時產生正轉矩;當SRM工作在制動狀態下,轉子極遠離與定子極對齊的位置,即d L/dθ＜0時產生負轉矩。轉矩的正負與電流方向無關,總轉矩為各相繞組產生的轉矩之和[4]。

2 三相不對稱半橋逆變器

傳統的三相不對稱半橋逆變器如圖1所示。

圖1 三相不對稱半橋逆變器Fig.1 Three-phase asymmetric half-bridge inverter

在此拓撲結構中,每相繞組可以由單向電流獨立控制。SRM在電動狀態下理想化的電感和相應的換向階段如圖2所示。每相繞組的開關即(S1,S2), (S3,S4),(S5,S6)先后在d L/dθ＞0時同時導通和關斷,在“開”階段相電流從一個方向流過開關,開關關斷時經單向導通的二極管續流。為了更有效地控制SRM在電動狀態下的高速運行,每相應提前觸發使開關更快導通以克服反電勢的影響,更快關斷使得轉子在產生制動轉矩前轉到平衡位置并將相電流降為零。一個開關周期為90°。

常規的SRM勵磁是在d L/dθ＞0時將相應相繞組開關開通,d L/dθ＜0時關斷。不對稱半橋驅動時相電流的方向是不可改變的,每相獨立控制不會對其他相造成影響,因此,可以通過增大換向角產生更高的轉矩。然而,換向角增大會使相鄰相發生重疊產生互感對電磁場造成影響。

圖2 三相不對稱半橋驅動下的開關模式Fig.2 Sw itching strategy of the three-phase asymmetric half-bridge SRM drive

3 三相全橋逆變器

3.1 三角形接法

圖3為改進型三角形接法的SRM,每相需單獨串聯一個二極管。

圖3 三角形接法的三相全橋逆變器Fig.3 Three-phase full-bridge inverter of delta configuration

圖3中改進型三角形接法的SRM驅動器開關模式可分為3個階段:

1)開關S1,S4開通,L1一相導通,相電流經S1流過L1,由S4回到電源負極,端電壓直接施加到一相繞組L1上,這一階段的電壓方程為

其中:Udc為直流母線電壓;i為相電流;R1為相電阻;φ1為一相繞組磁鏈。此階段的電壓方程與不對稱半橋逆變器驅動時的電壓方程相同。

2)開關S1,S6開通,S4關斷,L1,L2兩相導通,相電流經S1流過L1,L2,由S6回到電源負極,此時L1, L2兩相勵磁,電壓方程為

此階段電壓方程與不對稱半橋逆變器驅動時的電壓方程不同,L1,L2兩相導通,端電壓加到L1,L2兩相繞組上。

3)開關S1關斷,S6仍導通,相電流流過L1,L2,經過開關S6,由開關S2處對應的二極管續流。電壓方程為

這一階段,退磁相儲存的能量被下一勵磁相再利用,由于零電壓間隔,相電壓需經歷一個由正變負的間隔,可以減小定子的變形同時降低噪聲。

上述繞組三角形連接的三相全橋逆變器驅動系統為SRM驅動提供了一種新的方式,但是由于每相繞組需串聯一個單獨的二極管,增加了系統的復雜度,從而使其適用性降低[5]。

3.2 星型接法

與不對稱半橋功率變換器不同,三相全橋逆變器驅動星型接法的SRM時,電機繞組反向串聯連接。由于電源有通過兩個開關元件直通的危險,且必須滿足三相電流和為零,這一條件是很苛刻的,因此要求每一時刻至少有兩相同時勵磁并且必須是雙向電流。

從SRM的運行原理可知,當連續不斷地按某一順序分別給定子各相繞組通電,可以產生連續的磁阻轉矩,使轉子轉動。這也意味著為了產生轉矩,每一相都必須有一個勵磁和去磁的過程。這種勵磁方式會引起磁動勢(EMF)的突然改變,從而產生徑向磁拉力變化并引起定子共振。如果采用兩相同時勵磁的方式運行,其特點是當兩相繞組進行換向時,另一相繞組卻連續導通,就可以減小勵磁和去磁時的突變,即減小了磁拉力的突變,從而降低噪聲。

三相全橋逆變器驅動星型連接的SRM的電路如圖4所示。

圖4 星型接法的三相全橋逆變器Fig.4 Three-phase full-bridge inverter of star configuration

3.2.1 通用型開關策略 圖5為三相全橋逆變器驅動繞組星型連接電機的通用開關策略。

圖5 三相全橋逆變器的通用開關策略Fig.5 Conventional sw itching strategy of the three-phase full-bridge inverter

在此方式下,當一相d L/dθ＞0時,對應該相的上端的開關(S1,S3,S5)導通使該相勵磁流過正電流,同時導通下端的開關(S2,S4,S6),使負電流經對應的d L/dθ=0的相繞組流出。圖5中0～30°階段, d L1/dθ＞0,d L3/dθ=0,所以開關S1,S6導通。此開關策略每30°機械角度循序變換,轉換期間,下端的開關與上端的開關同時導通,所以相電流的極性是突變的,因此需要給開關的導通關斷留出死區時間[6]。若死區時間太短,可能會產生直通危險。而死區時間會導致電流產生諧波,影響了電機的運行效果。

3.2.2 適用型開關策略 圖6為針對SRM電機結構的適用型開關策略。

圖6 三相全橋逆變器的適用型開關策略Fig.6 Proposed sw itching strategy of the three-phase fu ll-bridge inverter

與通用型開關策略相同,采用兩相勵磁方式,即極性相反的兩相電流勵磁,利用自感和互感產生轉矩。采用不對稱半橋逆變器時,由于每相輪流導通,相電流是單向的,電磁轉矩的產生完全取決于每相自感的變化,相間互感對電磁轉矩的影響可忽略;而采用三相全橋逆變器,相繞組為星型連接時,兩相繞組串聯通電,相間互感對電磁轉矩的影響需要考慮。以1,2兩相為例,通過1相繞組電流產生的磁通和2相繞組交鏈,忽略漏磁和鐵心繞組,1,2相的互感可表示為

其中:N為每條支路繞組匝數;Rg為空氣隙磁阻;μ0為空氣隙磁導率;lc為鐵心疊壓長度;Dr為轉子極直徑;g為空氣隙長度;γ1,γ2分別為1,2相定子極與轉子極的重疊角[3]。另兩個互感可由1,2相互感位移30°和60°得到:

總磁鏈φ由三相繞組的磁鏈疊加

磁共能為

將上式對θ求導可得

簡化后的自感、互感曲線如圖6中所示。此適用型開關策略可保證一直產生穩定的正轉矩。

以機械角度0～30°階段為例分析:

由于此時所以轉矩公式簡化為

以此類推,通過圖6所示開關策略連續不斷地勵磁,可以得到連續穩定無紋波的正轉矩;采用該開關策略,開關頻率相比傳統方式降低了50%,可有效減小開關損耗;同時避免電流極性的突變,不再需要設置死區時間,消除了直通的危險[7-8]。

4 仿真驗證

為了驗證三相全橋逆變器驅動開關磁阻電機的可行性,基于Matlab/Simulink對所分析的方法進行了仿真驗證。文中主要討論電動模式下的控制策略,采用不對稱半橋驅動時通過合理設置開通角與關斷角,使相電流在轉子到達電感下降區之前降為零,從而避免了在繞組續流階段產生負轉矩的情況;采用三相全橋驅動時通過連續不斷地勵磁可產生持續的正轉矩。

分別采用不對稱半橋和三相全橋作為驅動電路,三相全橋驅動時繞組星型連接,對比兩種驅動方式下的運行狀態,在同一結構的SRM下進行了測試。電機模型選取6/4極開關磁阻電機,直流母線電壓設定為48 V,采用電壓斬波(CVC)控制方式,開通角設定為44°,關斷角為75°,占空比為58%,分別測量兩種驅動方式下轉速達到1 500 r/min的相電流波形與轉矩波形。

圖7為采用常規不對稱半橋驅動電路的相電流波形和轉矩波形,圖8為采用三相全橋驅動電路的相電流波形和轉矩波形。

圖7 三相不對稱半橋驅動下的相電流波形和轉矩波形Fig.7 Torque waveform of the three-phase asymmetric half-bridge SRM drive

圖8 三相全橋驅動下的相電流波形和轉矩波形Fig.8 Torque waveform of the three-phase full-bridge SRM drive

由圖7和圖8比較可以看出,兩種驅動方式下加速到相同轉速時,由于三相全橋驅動方式下繞組兩相勵磁,相電流不是單極性的,因此相電流峰值比不對稱半橋驅動時小,而三相全橋驅動下繞組自感與互感同時產生正轉矩,所以總轉矩雖達不到同轉速下不對稱半橋驅動方式產生的轉矩和,但相差不大。因而,在帶載要求不高的情況下,采用三相全橋逆變器驅動電機完全能達到傳統不對稱半橋驅動方式的效果;而且,由于三相全橋驅動時相電流幅值明顯低于不對稱半橋驅動下的相電流幅值,對于克服SRM電流峰值偏高的缺點有所幫助。

5 結 語

文中分析了不對稱半橋與三相全橋逆變器驅動開關磁阻電機的兩種控制策略,并就三相全橋驅動下的兩種繞組連接方式進行了研究;從理論分析和仿真試驗的角度驗證了三相全橋逆變器驅動星型連接的開關磁阻電機的控制策略,與傳統不對稱半橋驅動下的運行結果進行對比。使用三相全橋作為功率變換器,解決了不對稱半橋驅動模塊與SR電機接線過多的問題,同時由于三相全橋逆變器的通用性,可顯著降低開關磁阻電機驅動系統的成本,在電機帶載要求不高,無需精確調速的情況下,能夠滿足中低速運行的要求。當開關磁阻電機可以由三相全橋主電路模塊直接驅動,將加快開關磁阻電機產業化進程。

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(責任編輯:邢寶妹)

Control of Sw itched Reluctance M otor for Three-Phase Fu ll-Bridge Inverter Drive

TANG Yilin, SHIHuoquan*, JIAO Shanwang
(Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry,Ministry of Education,Jiangnan University,Wuxi214122,China)

It can significantly reduce the drive cost of SRM by using the standard three-phase full-bridge inverter.This paper discuss the control strategy of the asymmetric half-bridge inverter and the three-phase full-bridge inverter as the power converter,the operationmechanism of the star-connected SRM driven by the three-phase full-bridge inverter is analyzed,and the feasibility of the theoretical analysis is verified by the Matlab system.

switched reluctancemotor,three-phase full-bridge inverter,star type connection,two-phase excitation

TM 351;TP 29

A

1671-7147(2015)01-0075-05

2014-05-10;

2014-06-04。

湯一林(1990—),男,江蘇泰州人,電氣工程專業碩士研究生。

*通信作者:施火泉(1964—),男,江蘇蘇州人,高級工程師,碩士生導師。主要從事電力電子與電力傳動研究。

Email:shq@jiangnnan.edu.cn