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专科论文:基于电动汽车的开关磁阻电机功率变换器的研究

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  摘 要:开关磁阻电机是一种新型调速电机,具有结构简单、成本低、运行可靠、效率高及调速范围宽等突出特点。开关磁阻电机调速系统的性能和成本,在很大程度上取决于变换器主电路的拓扑结构。功率变换器主电路的选择及控制策略是影响系统性能和效率的主要因素,功率变换器方案的选择必须从系统特征出发。
  关键词:开关磁阻电机;功率变换器;不对称半桥
  0 引言
  开关磁阻电机是二十世纪八十年代随着现代电力电子技术、计算机技术和控制技术的迅猛发展而发展起来的一种新型调速电机,它采用功率电路脉冲供电,是典型的无刷式电机。最突出的特征是转子上无绕组,电机无碳刷和换相器,结构简单,制造成本低。鉴于这个原因,开关磁阻电机可控参数多,控制方式灵活方便,有利于实现高效优化控制。开关磁阻电机系统的性能和成本很大程度上取决于控制器所采用的功率变换器的主电路结构[1],所以变换器方案的选取是系统设计非常重要的环节。
  1 开关磁阻电机工作原理
  开关磁阻电机通常采用双凸极的结构,磁路和电路的高度非线性、开关性。SR电机的转动方向与电流流向无关,绕组电流为单向电流,通过改变绕组电流的大小,即可改变电动机的输出转矩大小,从而改变电动机的转速大小。电机遵循“最小磁阻原理”工作,由电机磁拉力作用产生具有磁阻性质的电磁转矩。电机通常采用双凸极结构,可以使转子旋转时电机磁路的磁阻会明显地变化。
  因为SR电机的电流是单向导通的,所以变换器主电路结构形式简单、稳定性高[2]。电机的相绕组和电路主开关管是串接在回路中的,因而可以避免绕组发生直接短路故障。SR电机变换器主电路的结构和电源电压大小、绕组设计形式、电动机相数以及主开关管的类型等有关。
  2 常见的功率变换器主电路拓扑
  2.1 不对称半桥电路
  半桥式主电路可以适用于任意相数电机,控制方式灵活,同时它有很多种改进形式。在所有变换器主电路中,目前应用最广泛、控制最简单的就是不对称半桥式电路[3],如图1所示。电机每相工作时电路中的两只开关同时通断,因此也被称为双开关式主电路。
  电源电压串加于励磁电路和续流回路,所以电路电压利用率高。电路的强迫续流相可以快速切断,从而换相可靠性高。各相电路是独立的结构,之间互不影响,所以允许多相同时工作。
  2.2 分裂式主电路
  分裂式主电路,如图2所示,由于电压被两个大电容分压,因此也叫电容分压式电路。该结构每相仅仅需要一个开关管和一个续流二极管,上下依次交替分布。为保证上、下相的工作电压平衡,此电路只能用于偶数相的电机系统。
  2.3 双绕组功率变换器
  如图3所示,双绕组功率变换器,每相有主副绕构成耦合线圈,同名端反接,两线圈的匝数比为1:1。以A相工作为例,当主开关S导通时,电源Us向主绕组A相供电电流为i1,二极管VD截止;当其关断时,由于耦合作用,VD被导通,A’相产生续流电流i2,给电容Cs充电,实现强迫换相。
  A与A’相之间无法达到完全耦合,所以在开关管S关断瞬间,由于绕组漏感和漏磁的存在,在开关上会形成尖峰电压,因此必须配有良好的吸收电路来保护开关。电路使用主、副两个绕组,所以电机的槽和线圈的利用率低。开关的额定电压至少是电机额定电压的两倍。
  2.4 公共开关式主电路
  如图4所示,在公共开关式主电路中,每相电路中除了有一只主开关管S,还有用于控制通电相绕组斩波的公共开关器件S’,拥有公共开关是此电路区别其他种类变换器最显著的特征。而由于公共开关导通时,绕组两端没有反极性的强迫换相电压,所以换相速度较慢。
  3 常用主电路拓扑结构对比
  电力电子器件的发展为功率变换技术的发展提供了坚实的基础,尤其是软开关技术的成熟,大大降低了开关损耗。由于开关磁阻电机的变换器为单极性,相绕组电流没有自然过零点,所以在主开关关断后,必须强迫换相使能量向电源迅速回馈[4]。如果不能保证相电流在电感上升区衰减到零,电机会产生负转矩降低效率。
  综上分析,表1给出了上述五种功率变换器的特性比较,便于课题的变换器主电路拓扑的选择。
  4 功率变换主电路的定型
  开关磁阻电机的功率变换器主电路的选择要综合考虑各方面因素,确保电机可以协调工作,保持较高的效率和性能。SR电机的工作电流受很多方面的制约,只能从各个系统出发确定较为理想的主电路结构,通常变换器应该满足以下的基本原则[5]:
  (1)开关元件的数量尽可能的少;
  (2)尽可能将电源电压加在绕组上,提高主电路电源电压的有效利用率;
  (3)尽量降低电路功率器件的电流和电压定额大小;
  (4)可以使绕组电流快速的上升;
  (5)主电路的开关元件能及时控制各相绕组的开通与关断;
  (6)在续流阶段,保证能量迅速的回馈到电源。
  5 结束语
  而相比之下,不对称半桥式主电路尽管没有较高的换相性能,主开关管数量也较多,但是主电路的控制方式相对简单、相间相互独立,所以变换器可以承受高电压、可靠性比较高。鉴于以上的分析比对,选择不对称半桥式作为本课题的主电路。
  参考文献
  [1]刘迪吉,张焕春,傅丰礼.开关磁阻调速电动机[M].北京:机械工业出版社,1994.
  [2]陈昊,谢桂林,张超.开关磁阻电机功率变换器主电路研究[J].电力电子技术,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]朱曰莹,赵桂范,杨娜.电动汽车用开关磁阻电机驱动系统优化及设计[J].电工技术学报,2014,29(11):87-98
  [5]赵超,王家军.开关磁阻电动机新型功率变换器的仿真研究[J].杭州电子科技大学学报(自然科学版),2015,35(01):63-66
  作者简历:王悦(1991-),硕士研究生,研究方向:基于电动汽车的开关磁阻电机控制优化的研究。
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