基于電動汽車的開關磁阻電機功率變換器的研究

王悅　徐耀良　陳鵬飛　夏棟　楊波

摘 要：開關磁阻電機是一種新型調速電機，具有結構簡單、成本低、運行可靠、效率高及調速范圍寬等突出特點。開關磁阻電機調速系統的性能和成本，在很大程度上取決于變換器主電路的拓撲結構。功率變換器主電路的選擇及控制策略是影響系統性能和效率的主要因素，功率變換器方案的選擇必須從系統特征出發。

關鍵詞：開關磁阻電機；功率變換器；不對稱半橋

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.02.057

0 引言

開關磁阻電機是二十世紀八十年代隨著現代電力電子技術、計算機技術和控制技術的迅猛發展而發展起來的一種新型調速電機，它采用功率電路脈沖供電，是典型的無刷式電機。最突出的特征是轉子上無繞組，電機無碳刷和換相器，結構簡單，制造成本低。鑒于這個原因，開關磁阻電機可控參數多，控制方式靈活方便，有利于實現高效優化控制。開關磁阻電機系統的性能和成本很大程度上取決于控制器所采用的功率變換器的主電路結構[1]，所以變換器方案的選取是系統設計非常重要的環節。

1 開關磁阻電機工作原理

開關磁阻電機通常采用雙凸極的結構，磁路和電路的高度非線性、開關性。SR電機的轉動方向與電流流向無關，繞組電流為單向電流，通過改變繞組電流的大小，即可改變電動機的輸出轉矩大小，從而改變電動機的轉速大小。電機遵循“最小磁阻原理”工作，由電機磁拉力作用產生具有磁阻性質的電磁轉矩。電機通常采用雙凸極結構，可以使轉子旋轉時電機磁路的磁阻會明顯地變化。

因為SR電機的電流是單向導通的，所以變換器主電路結構形式簡單、穩定性高[2]。電機的相繞組和電路主開關管是串接在回路中的，因而可以避免繞組發生直接短路故障。SR電機變換器主電路的結構和電源電壓大小、繞組設計形式、電動機相數以及主開關管的類型等有關。

2 常見的功率變換器主電路拓撲

2.1 不對稱半橋電路

半橋式主電路可以適用于任意相數電機，控制方式靈活，同時它有很多種改進形式。在所有變換器主電路中，目前應用最廣泛、控制最簡單的就是不對稱半橋式電路[3]，如圖1所示。電機每相工作時電路中的兩只開關同時通斷，因此也被稱為雙開關式主電路。

電源電壓串加于勵磁電路和續流回路，所以電路電壓利用率高。電路的強迫續流相可以快速切斷，從而換相可靠性高。各相電路是獨立的結構，之間互不影響，所以允許多相同時工作。

2.2 分裂式主電路

分裂式主電路，如圖2所示，由于電壓被兩個大電容分壓，因此也叫電容分壓式電路。該結構每相僅僅需要一個開關管和一個續流二極管，上下依次交替分布。為保證上、下相的工作電壓平衡，此電路只能用于偶數相的電機系統。

2.3 雙繞組功率變換器

如圖3所示，雙繞組功率變換器，每相有主副繞構成耦合線圈，同名端反接，兩線圈的匝數比為1：1。以A相工作為例，當主開關S導通時，電源Us向主繞組A相供電電流為i1，二極管VD截止；當其關斷時，由于耦合作用，VD被導通，A相產生續流電流i2，給電容Cs充電，實現強迫換相。

A與A相之間無法達到完全耦合，所以在開關管S關斷瞬間，由于繞組漏感和漏磁的存在，在開關上會形成尖峰電壓，因此必須配有良好的吸收電路來保護開關。電路使用主、副兩個繞組，所以電機的槽和線圈的利用率低。開關的額定電壓至少是電機額定電壓的兩倍。

2.4 公共開關式主電路

如圖4所示，在公共開關式主電路中，每相電路中除了有一只主開關管S，還有用于控制通電相繞組斬波的公共開關器件S，擁有公共開關是此電路區別其他種類變換器最顯著的特征。而由于公共開關導通時，繞組兩端沒有反極性的強迫換相電壓，所以換相速度較慢。

3 常用主電路拓撲結構對比

電力電子器件的發展為功率變換技術的發展提供了堅實的基礎，尤其是軟開關技術的成熟，大大降低了開關損耗。由于開關磁阻電機的變換器為單極性，相繞組電流沒有自然過零點，所以在主開關關斷后，必須強迫換相使能量向電源迅速回饋[4]。如果不能保證相電流在電感上升區衰減到零，電機會產生負轉矩降低效率。

綜上分析，表1給出了上述五種功率變換器的特性比較，便于課題的變換器主電路拓撲的選擇。

4 功率變換主電路的定型

開關磁阻電機的功率變換器主電路的選擇要綜合考慮各方面因素，確保電機可以協調工作，保持較高的效率和性能。SR電機的工作電流受很多方面的制約，只能從各個系統出發確定較為理想的主電路結構，通常變換器應該滿足以下的基本原則[5]：

（1）開關元件的數量盡可能的少；

（2）盡可能將電源電壓加在繞組上，提高主電路電源電壓的有效利用率；

（3）盡量降低電路功率器件的電流和電壓定額大小；

（4）可以使繞組電流快速的上升；

（5）主電路的開關元件能及時控制各相繞組的開通與關斷；

（6）在續流階段，保證能量迅速的回饋到電源。

5 結束語

而相比之下，不對稱半橋式主電路盡管沒有較高的換相性能，主開關管數量也較多，但是主電路的控制方式相對簡單、相間相互獨立，所以變換器可以承受高電壓、可靠性比較高。鑒于以上的分析比對，選擇不對稱半橋式作為本課題的主電路。

參考文獻：

[1]劉迪吉，張煥春，傅豐禮.開關磁阻調速電動機[M].北京：機械工業出版社，1994.

[2]陳昊，謝桂林，張超.開關磁阻電機功率變換器主電路研究[J].電力電子技術，2000，34（03）：22-25

[3]Cardenas R，Pena R，Perez M，et al.Power smoothing using a switched reluctance machine driving a flywheel[J].IEEE Transaction on Energy Conversion，2006，21（01）：294-295

[4]朱曰瑩，趙桂范，楊娜.電動汽車用開關磁阻電機驅動系統優化及設計[J].電工技術學報，2014，29（11）：87-98

[5]趙超，王家軍.開關磁阻電動機新型功率變換器的仿真研究[J].杭州電子科技大學學報（自然科學版），2015，35（01）：63-66

作者簡歷：王悅（1991-），碩士研究生，研究方向：基于電動汽車的開關磁阻電機控制優化的研究。