湯一林, 施火泉, 焦山旺

(江南大學(xué)輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫214122)

基于三相全橋逆變器的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制

湯一林, 施火泉*, 焦山旺

(江南大學(xué)輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫214122)

采用標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體成本。研究了三相不對(duì)稱(chēng)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(qū)動(dòng)星型接法的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理,通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證理論分析的可行性。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī);三相全橋逆變器;星型接法;兩相勵(lì)磁

近年來(lái),開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)(switched reluctance motor,SRM)以其簡(jiǎn)單堅(jiān)固、造價(jià)低、高可靠性、良好的性?xún)r(jià)比以及調(diào)速范圍寬等諸多優(yōu)點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注[1]。這些優(yōu)勢(shì)使SRM相比其他電機(jī)具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。SRM不能直接由交直流電源供電進(jìn)行驅(qū)動(dòng),而需要一個(gè)逆變器將電源提供的能量經(jīng)變換后實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。SRM最常用的功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不對(duì)稱(chēng)半橋逆變器。雖然這類(lèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可以在控制上提供最大程度的自由,但其主要缺點(diǎn)是脈動(dòng)相對(duì)較大,功率回路與電機(jī)的接線較多,需要獨(dú)立配置電源模塊與保護(hù)電路,這將影響系統(tǒng)的整體成本與穩(wěn)定性,還增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度[2]。

事實(shí)上,由于SRM缺少標(biāo)準(zhǔn)的逆變器作為功率變換器模塊,使得SRM驅(qū)動(dòng)器的價(jià)格高于其他傳統(tǒng)交流電機(jī)。三相全橋逆變器作為標(biāo)準(zhǔn)功率變換器已廣泛使用于三相交流電機(jī),其具備完整成熟的通用模塊。一些研究人員已成功實(shí)現(xiàn)了用標(biāo)準(zhǔn)三相全橋逆變器驅(qū)動(dòng)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(jī)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器量大面廣,許多制造商都以具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格提供品種齊全的三相全橋逆變器驅(qū)動(dòng)電源模塊和保護(hù)電路。當(dāng)這些通用模塊應(yīng)用到開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中時(shí),SRM驅(qū)動(dòng)器的整體成本可顯著降低。

文中討論了不對(duì)稱(chēng)半橋與三相全橋逆變器驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制策略,介紹了使用三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)繞組的三角形接法和星型接法兩種結(jié)構(gòu),就三相全橋逆變器驅(qū)動(dòng)星型接法的SRM的控制方法做進(jìn)一步探討,并基于Matlab仿真驗(yàn)證理論的可行性。

1 SRM的驅(qū)動(dòng)原理

SRM是根據(jù)磁阻變化工作的,工作時(shí)各相磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而改變,電機(jī)的磁場(chǎng)能也隨轉(zhuǎn)子位置改變而變化。與步進(jìn)電機(jī)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到當(dāng)前磁阻最小位置。SRM的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無(wú)關(guān),而僅取決于相繞組的通電順序。若改變相電流的大小,就會(huì)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩,從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此控制SRM的換相順序和相電流的大小,就能達(dá)到控制電機(jī)的目的。

以一個(gè)三相6/4級(jí)SRM為研究對(duì)象,忽略磁路飽和,轉(zhuǎn)矩公式如下:

式中:θ為轉(zhuǎn)子位置角;Lj為相電感;ij為相電流。

當(dāng)SRM工作在電動(dòng)狀態(tài)下,轉(zhuǎn)子極靠近與定子極對(duì)齊的位置,即d L/dθ＞0時(shí)產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩;當(dāng)SRM工作在制動(dòng)狀態(tài)下,轉(zhuǎn)子極遠(yuǎn)離與定子極對(duì)齊的位置,即d L/dθ＜0時(shí)產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩的正負(fù)與電流方向無(wú)關(guān),總轉(zhuǎn)矩為各相繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩之和[4]。

2 三相不對(duì)稱(chēng)半橋逆變器

傳統(tǒng)的三相不對(duì)稱(chēng)半橋逆變器如圖1所示。

圖1 三相不對(duì)稱(chēng)半橋逆變器Fig.1 Three-phase asymmetric half-bridge inverter

在此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,每相繞組可以由單向電流獨(dú)立控制。SRM在電動(dòng)狀態(tài)下理想化的電感和相應(yīng)的換向階段如圖2所示。每相繞組的開(kāi)關(guān)即(S1,S2), (S3,S4),(S5,S6)先后在d L/dθ＞0時(shí)同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,在“開(kāi)”階段相電流從一個(gè)方向流過(guò)開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)經(jīng)單向?qū)ǖ亩O管續(xù)流。為了更有效地控制SRM在電動(dòng)狀態(tài)下的高速運(yùn)行,每相應(yīng)提前觸發(fā)使開(kāi)關(guān)更快導(dǎo)通以克服反電勢(shì)的影響,更快關(guān)斷使得轉(zhuǎn)子在產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩前轉(zhuǎn)到平衡位置并將相電流降為零。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期為90°。

常規(guī)的SRM勵(lì)磁是在d L/dθ＞0時(shí)將相應(yīng)相繞組開(kāi)關(guān)開(kāi)通,d L/dθ＜0時(shí)關(guān)斷。不對(duì)稱(chēng)半橋驅(qū)動(dòng)時(shí)相電流的方向是不可改變的,每相獨(dú)立控制不會(huì)對(duì)其他相造成影響,因此,可以通過(guò)增大換向角產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)矩。然而,換向角增大會(huì)使相鄰相發(fā)生重疊產(chǎn)生互感對(duì)電磁場(chǎng)造成影響。

圖2 三相不對(duì)稱(chēng)半橋驅(qū)動(dòng)下的開(kāi)關(guān)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(jìn)型三角形接法的SRM,每相需單獨(dú)串聯(lián)一個(gè)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(jìn)型三角形接法的SRM驅(qū)動(dòng)器開(kāi)關(guān)模式可分為3個(gè)階段:

1)開(kāi)關(guān)S1,S4開(kāi)通,L1一相導(dǎo)通,相電流經(jīng)S1流過(guò)L1,由S4回到電源負(fù)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(duì)稱(chēng)半橋逆變器驅(qū)動(dòng)時(shí)的電壓方程相同。

2)開(kāi)關(guān)S1,S6開(kāi)通,S4關(guān)斷,L1,L2兩相導(dǎo)通,相電流經(jīng)S1流過(guò)L1,L2,由S6回到電源負(fù)極,此時(shí)L1, L2兩相勵(lì)磁,電壓方程為

此階段電壓方程與不對(duì)稱(chēng)半橋逆變器驅(qū)動(dòng)時(shí)的電壓方程不同,L1,L2兩相導(dǎo)通,端電壓加到L1,L2兩相繞組上。

3)開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷,S6仍導(dǎo)通,相電流流過(guò)L1,L2,經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)S6,由開(kāi)關(guān)S2處對(duì)應(yīng)的二極管續(xù)流。電壓方程為

這一階段,退磁相儲(chǔ)存的能量被下一勵(lì)磁相再利用,由于零電壓間隔,相電壓需經(jīng)歷一個(gè)由正變負(fù)的間隔,可以減小定子的變形同時(shí)降低噪聲。

上述繞組三角形連接的三相全橋逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為SRM驅(qū)動(dòng)提供了一種新的方式,但是由于每相繞組需串聯(lián)一個(gè)單獨(dú)的二極管,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度,從而使其適用性降低[5]。

3.2 星型接法

與不對(duì)稱(chēng)半橋功率變換器不同,三相全橋逆變器驅(qū)動(dòng)星型接法的SRM時(shí),電機(jī)繞組反向串聯(lián)連接。由于電源有通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件直通的危險(xiǎn),且必須滿(mǎn)足三相電流和為零,這一條件是很苛刻的,因此要求每一時(shí)刻至少有兩相同時(shí)勵(lì)磁并且必須是雙向電流。

從SRM的運(yùn)行原理可知,當(dāng)連續(xù)不斷地按某一順序分別給定子各相繞組通電,可以產(chǎn)生連續(xù)的磁阻轉(zhuǎn)矩,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。這也意味著為了產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,每一相都必須有一個(gè)勵(lì)磁和去磁的過(guò)程。這種勵(lì)磁方式會(huì)引起磁動(dòng)勢(shì)(EMF)的突然改變,從而產(chǎn)生徑向磁拉力變化并引起定子共振。如果采用兩相同時(shí)勵(lì)磁的方式運(yùn)行,其特點(diǎn)是當(dāng)兩相繞組進(jìn)行換向時(shí),另一相繞組卻連續(xù)導(dǎo)通,就可以減小勵(lì)磁和去磁時(shí)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(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)策略 圖5為三相全橋逆變器驅(qū)動(dòng)繞組星型連接電機(jī)的通用開(kāi)關(guān)策略。

圖5 三相全橋逆變器的通用開(kāi)關(guān)策略Fig.5 Conventional sw itching strategy of the three-phase full-bridge inverter

在此方式下,當(dāng)一相d L/dθ＞0時(shí),對(duì)應(yīng)該相的上端的開(kāi)關(guān)(S1,S3,S5)導(dǎo)通使該相勵(lì)磁流過(guò)正電流,同時(shí)導(dǎo)通下端的開(kāi)關(guān)(S2,S4,S6),使負(fù)電流經(jīng)對(duì)應(yīng)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(kāi)關(guān)S1,S6導(dǎo)通。此開(kāi)關(guān)策略每30°機(jī)械角度循序變換,轉(zhuǎn)換期間,下端的開(kāi)關(guān)與上端的開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通,所以相電流的極性是突變的,因此需要給開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通關(guān)斷留出死區(qū)時(shí)間[6]。若死區(qū)時(shí)間太短,可能會(huì)產(chǎn)生直通危險(xiǎn)。而死區(qū)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致電流產(chǎn)生諧波,影響了電機(jī)的運(yùn)行效果。

3.2.2 適用型開(kāi)關(guān)策略 圖6為針對(duì)SRM電機(jī)結(jié)構(gòu)的適用型開(kāi)關(guān)策略。

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

與通用型開(kāi)關(guān)策略相同,采用兩相勵(lì)磁方式,即極性相反的兩相電流勵(lì)磁,利用自感和互感產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。采用不對(duì)稱(chēng)半橋逆變器時(shí),由于每相輪流導(dǎo)通,相電流是單向的,電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生完全取決于每相自感的變化,相間互感對(duì)電磁轉(zhuǎn)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(shí),兩相繞組串聯(lián)通電,相間互感對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響需要考慮。以1,2兩相為例,通過(guò)1相繞組電流產(chǎn)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(shù);Rg為空氣隙磁阻;μ0為空氣隙磁導(dǎo)率;lc為鐵心疊壓長(zhǎng)度;Dr為轉(zhuǎn)子極直徑;g為空氣隙長(zhǎng)度;γ1,γ2分別為1,2相定子極與轉(zhuǎn)子極的重疊角[3]。另兩個(gè)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(duì)θ求導(dǎo)可得

簡(jiǎn)化后的自感、互感曲線如圖6中所示。此適用型開(kāi)關(guān)策略可保證一直產(chǎn)生穩(wěn)定的正轉(zhuǎn)矩。

以機(jī)械角度0～30°階段為例分析:

由于此時(shí)所以轉(zhuǎn)矩公式簡(jiǎn)化為

以此類(lèi)推,通過(guò)圖6所示開(kāi)關(guān)策略連續(xù)不斷地勵(lì)磁,可以得到連續(xù)穩(wěn)定無(wú)紋波的正轉(zhuǎn)矩;采用該開(kāi)關(guān)策略,開(kāi)關(guān)頻率相比傳統(tǒng)方式降低了50%,可有效減小開(kāi)關(guān)損耗;同時(shí)避免電流極性的突變,不再需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間,消除了直通的危險(xiǎn)[7-8]。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證三相全橋逆變器驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的可行性,基于Matlab/Simulink對(duì)所分析的方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。文中主要討論電動(dòng)模式下的控制策略,采用不對(duì)稱(chēng)半橋驅(qū)動(dòng)時(shí)通過(guò)合理設(shè)置開(kāi)通角與關(guān)斷角,使相電流在轉(zhuǎn)子到達(dá)電感下降區(qū)之前降為零,從而避免了在繞組續(xù)流階段產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩的情況;采用三相全橋驅(qū)動(dòng)時(shí)通過(guò)連續(xù)不斷地勵(lì)磁可產(chǎn)生持續(xù)的正轉(zhuǎn)矩。

分別采用不對(duì)稱(chēng)半橋和三相全橋作為驅(qū)動(dòng)電路,三相全橋驅(qū)動(dòng)時(shí)繞組星型連接,對(duì)比兩種驅(qū)動(dòng)方式下的運(yùn)行狀態(tài),在同一結(jié)構(gòu)的SRM下進(jìn)行了測(cè)試。電機(jī)模型選取6/4極開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī),直流母線電壓設(shè)定為48 V,采用電壓斬波(CVC)控制方式,開(kāi)通角設(shè)定為44°,關(guān)斷角為75°,占空比為58%,分別測(cè)量?jī)煞N驅(qū)動(dòng)方式下轉(zhuǎn)速達(dá)到1 500 r/min的相電流波形與轉(zhuǎn)矩波形。

圖7為采用常規(guī)不對(duì)稱(chēng)半橋驅(qū)動(dòng)電路的相電流波形和轉(zhuǎn)矩波形,圖8為采用三相全橋驅(qū)動(dòng)電路的相電流波形和轉(zhuǎn)矩波形。

圖7 三相不對(duì)稱(chēng)半橋驅(qū)動(dòng)下的相電流波形和轉(zhuǎn)矩波形Fig.7 Torque waveform of the three-phase asymmetric half-bridge SRM drive

圖8 三相全橋驅(qū)動(dòng)下的相電流波形和轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)方式下加速到相同轉(zhuǎn)速時(shí),由于三相全橋驅(qū)動(dòng)方式下繞組兩相勵(lì)磁,相電流不是單極性的,因此相電流峰值比不對(duì)稱(chēng)半橋驅(qū)動(dòng)時(shí)小,而三相全橋驅(qū)動(dòng)下繞組自感與互感同時(shí)產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩,所以總轉(zhuǎn)矩雖達(dá)不到同轉(zhuǎn)速下不對(duì)稱(chēng)半橋驅(qū)動(dòng)方式產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)電機(jī)完全能達(dá)到傳統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)半橋驅(qū)動(dòng)方式的效果;而且,由于三相全橋驅(qū)動(dòng)時(shí)相電流幅值明顯低于不對(duì)稱(chēng)半橋驅(qū)動(dòng)下的相電流幅值,對(duì)于克服SRM電流峰值偏高的缺點(diǎn)有所幫助。

5 結(jié) 語(yǔ)

文中分析了不對(duì)稱(chēng)半橋與三相全橋逆變器驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的兩種控制策略,并就三相全橋驅(qū)動(dòng)下的兩種繞組連接方式進(jìn)行了研究;從理論分析和仿真試驗(yàn)的角度驗(yàn)證了三相全橋逆變器驅(qū)動(dòng)星型連接的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制策略,與傳統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)半橋驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。使用三相全橋作為功率變換器,解決了不對(duì)稱(chēng)半橋驅(qū)動(dòng)模塊與SR電機(jī)接線過(guò)多的問(wèn)題,同時(shí)由于三相全橋逆變器的通用性,可顯著降低開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本,在電機(jī)帶載要求不高,無(wú)需精確調(diào)速的情況下,能夠滿(mǎn)足中低速運(yùn)行的要求。當(dāng)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)可以由三相全橋主電路模塊直接驅(qū)動(dòng),將加快開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

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(責(zé)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(zhuān)業(yè)碩士研究生。

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

Email:shq@jiangnnan.edu.cn