基于三相全桥逆变器的开关磁阻电机控制

汤一林, 施火泉, 焦山旺

(江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室,江苏无锡214122)

基于三相全桥逆变器的开关磁阻电机控制

汤一林, 施火泉*, 焦山旺

(江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室,江苏无锡214122)

采用标准三相全桥逆变器通用模块作为功率变换器,可以显著降低开关磁阻电机驱动系统的整体成本。研究了三相不对称半桥与三相全桥作为功率变换器的控制策略,主要分析了三相全桥逆变器驱动星型接法的开关磁阻电机的运行机理,通过Matlab仿真验证理论分析的可行性。

开关磁阻电机;三相全桥逆变器;星型接法;两相励磁

近年来,开关磁阻电机(switched reluctance motor,SRM)以其简单坚固、造价低、高可靠性、良好的性价比以及调速范围宽等诸多优点受到了广泛关注[1]。这些优势使SRM相比其他电机具有更强的竞争力。SRM不能直接由交直流电源供电进行驱动,而需要一个逆变器将电源提供的能量经变换后实现运行。SRM最常用的功率变换器拓扑结构是不对称半桥逆变器。虽然这类拓扑结构简单且可以在控制上提供最大程度的自由,但其主要缺点是脉动相对较大,功率回路与电机的接线较多,需要独立配置电源模块与保护电路,这将影响系统的整体成本与稳定性,还增加了系统的复杂度[2]。

事实上,由于SRM缺少标准的逆变器作为功率变换器模块,使得SRM驱动器的价格高于其他传统交流电机。三相全桥逆变器作为标准功率变换器已广泛使用于三相交流电机,其具备完整成熟的通用模块。一些研究人员已成功实现了用标准三相全桥逆变器驱动三角形接法和星形接法的SRM[3]。三相全桥逆变器作为三相交流电机的标准驱动器量大面广,许多制造商都以具有竞争力的价格提供品种齐全的三相全桥逆变器驱动电源模块和保护电路。当这些通用模块应用到开关磁阻电机驱动系统中时,SRM驱动器的整体成本可显著降低。

文中讨论了不对称半桥与三相全桥逆变器驱动开关磁阻电机的控制策略,介绍了使用三相全桥拓扑结构时绕组的三角形接法和星型接法两种结构,就三相全桥逆变器驱动星型接法的SRM的控制方法做进一步探讨,并基于Matlab仿真验证理论的可行性。

1 SRM的驱动原理

SRM是根据磁阻变化工作的,工作时各相磁路的磁阻随转子转动而改变,电机的磁场能也随转子位置改变而变化。与步进电机一样,它也遵循“磁阻最小原则”,即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合,迫使转子旋转到当前磁阻最小位置。SRM的转向与相绕组的电流方向无关,而仅取决于相绕组的通电顺序。若改变相电流的大小,就会改变电动机的转矩,从而改变电动机的转速。因此控制SRM的换相顺序和相电流的大小,就能达到控制电机的目的。

以一个三相6/4级SRM为研究对象,忽略磁路饱和,转矩公式如下:

式中:θ为转子位置角;Lj为相电感;ij为相电流。

当SRM工作在电动状态下,转子极靠近与定子极对齐的位置,即d L/dθ＞0时产生正转矩;当SRM工作在制动状态下,转子极远离与定子极对齐的位置,即d L/dθ＜0时产生负转矩。转矩的正负与电流方向无关,总转矩为各相绕组产生的转矩之和[4]。

2 三相不对称半桥逆变器

传统的三相不对称半桥逆变器如图1所示。

图1 三相不对称半桥逆变器Fig.1 Three-phase asymmetric half-bridge inverter

在此拓扑结构中,每相绕组可以由单向电流独立控制。SRM在电动状态下理想化的电感和相应的换向阶段如图2所示。每相绕组的开关即(S1,S2), (S3,S4),(S5,S6)先后在d L/dθ＞0时同时导通和关断,在“开”阶段相电流从一个方向流过开关,开关关断时经单向导通的二极管续流。为了更有效地控制SRM在电动状态下的高速运行,每相应提前触发使开关更快导通以克服反电势的影响,更快关断使得转子在产生制动转矩前转到平衡位置并将相电流降为零。一个开关周期为90°。

常规的SRM励磁是在d L/dθ＞0时将相应相绕组开关开通,d L/dθ＜0时关断。不对称半桥驱动时相电流的方向是不可改变的,每相独立控制不会对其他相造成影响,因此,可以通过增大换向角产生更高的转矩。然而,换向角增大会使相邻相发生重叠产生互感对电磁场造成影响。

图2 三相不对称半桥驱动下的开关模式Fig.2 Sw itching strategy of the three-phase asymmetric half-bridge SRM drive

3 三相全桥逆变器

3.1 三角形接法

图3为改进型三角形接法的SRM,每相需单独串联一个二极管。

图3 三角形接法的三相全桥逆变器Fig.3 Three-phase full-bridge inverter of delta configuration

图3中改进型三角形接法的SRM驱动器开关模式可分为3个阶段:

1)开关S1,S4开通,L1一相导通,相电流经S1流过L1,由S4回到电源负极,端电压直接施加到一相绕组L1上,这一阶段的电压方程为

其中:Udc为直流母线电压;i为相电流;R1为相电阻;φ1为一相绕组磁链。此阶段的电压方程与不对称半桥逆变器驱动时的电压方程相同。

2)开关S1,S6开通,S4关断,L1,L2两相导通,相电流经S1流过L1,L2,由S6回到电源负极,此时L1, L2两相励磁,电压方程为

此阶段电压方程与不对称半桥逆变器驱动时的电压方程不同,L1,L2两相导通,端电压加到L1,L2两相绕组上。

3)开关S1关断,S6仍导通,相电流流过L1,L2,经过开关S6,由开关S2处对应的二极管续流。电压方程为

这一阶段,退磁相储存的能量被下一励磁相再利用,由于零电压间隔,相电压需经历一个由正变负的间隔,可以减小定子的变形同时降低噪声。

上述绕组三角形连接的三相全桥逆变器驱动系统为SRM驱动提供了一种新的方式,但是由于每相绕组需串联一个单独的二极管,增加了系统的复杂度,从而使其适用性降低[5]。

3.2 星型接法

与不对称半桥功率变换器不同,三相全桥逆变器驱动星型接法的SRM时,电机绕组反向串联连接。由于电源有通过两个开关元件直通的危险,且必须满足三相电流和为零,这一条件是很苛刻的,因此要求每一时刻至少有两相同时励磁并且必须是双向电流。

从SRM的运行原理可知,当连续不断地按某一顺序分别给定子各相绕组通电,可以产生连续的磁阻转矩,使转子转动。这也意味着为了产生转矩,每一相都必须有一个励磁和去磁的过程。这种励磁方式会引起磁动势(EMF)的突然改变,从而产生径向磁拉力变化并引起定子共振。如果采用两相同时励磁的方式运行,其特点是当两相绕组进行换向时,另一相绕组却连续导通,就可以减小励磁和去磁时的突变,即减小了磁拉力的突变,从而降低噪声。

三相全桥逆变器驱动星型连接的SRM的电路如图4所示。

图4 星型接法的三相全桥逆变器Fig.4 Three-phase full-bridge inverter of star configuration

3.2.1 通用型开关策略 图5为三相全桥逆变器驱动绕组星型连接电机的通用开关策略。

图5 三相全桥逆变器的通用开关策略Fig.5 Conventional sw itching strategy of the three-phase full-bridge inverter

在此方式下,当一相d L/dθ＞0时,对应该相的上端的开关(S1,S3,S5)导通使该相励磁流过正电流,同时导通下端的开关(S2,S4,S6),使负电流经对应的d L/dθ=0的相绕组流出。图5中0～30°阶段, d L1/dθ＞0,d L3/dθ=0,所以开关S1,S6导通。此开关策略每30°机械角度循序变换,转换期间,下端的开关与上端的开关同时导通,所以相电流的极性是突变的,因此需要给开关的导通关断留出死区时间[6]。若死区时间太短,可能会产生直通危险。而死区时间会导致电流产生谐波,影响了电机的运行效果。

3.2.2 适用型开关策略 图6为针对SRM电机结构的适用型开关策略。

图6 三相全桥逆变器的适用型开关策略Fig.6 Proposed sw itching strategy of the three-phase fu ll-bridge inverter

与通用型开关策略相同,采用两相励磁方式,即极性相反的两相电流励磁,利用自感和互感产生转矩。采用不对称半桥逆变器时,由于每相轮流导通,相电流是单向的,电磁转矩的产生完全取决于每相自感的变化,相间互感对电磁转矩的影响可忽略;而采用三相全桥逆变器,相绕组为星型连接时,两相绕组串联通电,相间互感对电磁转矩的影响需要考虑。以1,2两相为例,通过1相绕组电流产生的磁通和2相绕组交链,忽略漏磁和铁心绕组,1,2相的互感可表示为

其中:N为每条支路绕组匝数;Rg为空气隙磁阻;μ0为空气隙磁导率;lc为铁心叠压长度;Dr为转子极直径;g为空气隙长度;γ1,γ2分别为1,2相定子极与转子极的重叠角[3]。另两个互感可由1,2相互感位移30°和60°得到:

总磁链φ由三相绕组的磁链叠加

磁共能为

将上式对θ求导可得

简化后的自感、互感曲线如图6中所示。此适用型开关策略可保证一直产生稳定的正转矩。

以机械角度0～30°阶段为例分析:

由于此时所以转矩公式简化为

以此类推,通过图6所示开关策略连续不断地励磁,可以得到连续稳定无纹波的正转矩;采用该开关策略,开关频率相比传统方式降低了50%,可有效减小开关损耗;同时避免电流极性的突变,不再需要设置死区时间,消除了直通的危险[7-8]。

4 仿真验证

为了验证三相全桥逆变器驱动开关磁阻电机的可行性,基于Matlab/Simulink对所分析的方法进行了仿真验证。文中主要讨论电动模式下的控制策略,采用不对称半桥驱动时通过合理设置开通角与关断角,使相电流在转子到达电感下降区之前降为零,从而避免了在绕组续流阶段产生负转矩的情况;采用三相全桥驱动时通过连续不断地励磁可产生持续的正转矩。

分别采用不对称半桥和三相全桥作为驱动电路,三相全桥驱动时绕组星型连接,对比两种驱动方式下的运行状态,在同一结构的SRM下进行了测试。电机模型选取6/4极开关磁阻电机,直流母线电压设定为48 V,采用电压斩波(CVC)控制方式,开通角设定为44°,关断角为75°,占空比为58%,分别测量两种驱动方式下转速达到1 500 r/min的相电流波形与转矩波形。

图7为采用常规不对称半桥驱动电路的相电流波形和转矩波形,图8为采用三相全桥驱动电路的相电流波形和转矩波形。

图7 三相不对称半桥驱动下的相电流波形和转矩波形Fig.7 Torque waveform of the three-phase asymmetric half-bridge SRM drive

图8 三相全桥驱动下的相电流波形和转矩波形Fig.8 Torque waveform of the three-phase full-bridge SRM drive

由图7和图8比较可以看出,两种驱动方式下加速到相同转速时,由于三相全桥驱动方式下绕组两相励磁,相电流不是单极性的,因此相电流峰值比不对称半桥驱动时小,而三相全桥驱动下绕组自感与互感同时产生正转矩,所以总转矩虽达不到同转速下不对称半桥驱动方式产生的转矩和,但相差不大。因而,在带载要求不高的情况下,采用三相全桥逆变器驱动电机完全能达到传统不对称半桥驱动方式的效果;而且,由于三相全桥驱动时相电流幅值明显低于不对称半桥驱动下的相电流幅值,对于克服SRM电流峰值偏高的缺点有所帮助。

5 结 语

文中分析了不对称半桥与三相全桥逆变器驱动开关磁阻电机的两种控制策略,并就三相全桥驱动下的两种绕组连接方式进行了研究;从理论分析和仿真试验的角度验证了三相全桥逆变器驱动星型连接的开关磁阻电机的控制策略,与传统不对称半桥驱动下的运行结果进行对比。使用三相全桥作为功率变换器,解决了不对称半桥驱动模块与SR电机接线过多的问题,同时由于三相全桥逆变器的通用性,可显著降低开关磁阻电机驱动系统的成本,在电机带载要求不高,无需精确调速的情况下,能够满足中低速运行的要求。当开关磁阻电机可以由三相全桥主电路模块直接驱动,将加快开关磁阻电机产业化进程。

[1]吴红星.开关磁阻电机系统理论与控制技术[M].北京:中国电力出版社社,2010.

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(责任编辑:邢宝妹)

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。

汤一林(1990—),男,江苏泰州人,电气工程专业硕士研究生。

*通信作者:施火泉(1964—),男,江苏苏州人,高级工程师,硕士生导师。主要从事电力电子与电力传动研究。

Email:shq@jiangnnan.edu.cn