1、    基于開關磁阻電動機的功率變換器的研究    基于開關磁阻電動機的功率變換器的研究    類別：模擬技術      基于開關磁阻電動機的功率變換器的研究 日期：2005-5-18 來源：電子技術應用 作者：齊劍玲 孟小紅 劉慧芳 字體：大 中 小 摘要：對開關磁阻電動功率變量器的五種拓撲結構進行分析，給出了各種功率變換器的工作線路圖，并對每一種功率變換器的拓撲性能、特點及應用進行了研究。最后對于功率變換器拓撲的

2、發展方向提出看法。 關鍵詞：開關磁電動機（sr）拓撲結構 功率變換器 開關磁阻調速電動機（srd）是一種新型的交流無級調整系統，由開關磁阻電動機、功率變換器、控制器、位置檢測器四部分構成。在光、電、機的共同作用下，形成電機的連續運轉。開關磁阻調速電動機控制系統基本結構見圖1。 功率變換器是驅動開關磁阻電動機的電路裝置，為其提供電能。對功率變換器功率開關的通斷狀態進行合理的控制可實現電機的調速動轉。功率變換 器主電路拓撲形式的選取與供電電壓、電機相數、主開關器件的種類有密切的關系。合理選擇和設計功率變換器是提高srd的性能價格比的關鍵之一。雖然功率變換 器電路的拓撲形式多種多樣并各有其特點，但目

3、前并未形成理論定式（固定模式）。一般來說，選取理想的sr功率變換器的原則是：電路拓撲與電動機結構匹配、效率高、控制方便、結構簡單、成本低。 1 功率變換器主電路工作分析 srd系統的性能和成本很大程度上取決于功率變換器的性能和成本，所以對功率變換 器的研究意義重大。目前研究主要集中在功率變換器拓撲結構的設計、主開關器件選擇和使用等方面。 11 四相八管式功率變換器 四相八管式sr電動機功率變換器主電路拓撲如圖2所示，其中a、b、c、d各相分別有兩只主開關和兩只續流二極管與直流電源相連。此電路有三種工作狀態。以a相為例，觸發t1、t2，兩開關管都導通，直流電源如到a相繞組，建立電流和磁鏈，相電流

4、ia沿圖3（3）所示路徑流動。當t1和t2中有一個管子關斷，a相繞組電流在t1、d2或t2、d1構成的回路中續流。這一過程可減小電流的脈動，相電流ia沿圖3（b）所示路徑流動。t1和t2都關斷，相電源通過d1、d2續流，此時磁鏈迅速下降，繞組能量回饋電源。相電流ia沿圖3（c）所示路徑流動。 四相八管式sr電動機功率變換主電路拓撲工作模式分析：在圖3（a）所示的模式下直流電源電壓提供給電機a相繞組勵磁能量。相應的等式為（1）式，式中ut為主開關通態飽和壓降，ra為a相電阻，a為a相磁鏈。在圖3（b）所式模式下，設上開關管關斷，相應的等式為（2）式；ud為二極管導通壓降。在圖3（c）模式下，相應

5、的等式為（3）式。 us-2ut=da/dt+raia (1) -ut-ud=da/dt+raia (2) -us-2ud=da/dt+raia (3) 1.2 四相四管雙繞組式功率變換器 四相四管雙繞組式sr電動機功率變換器主電路拓撲如圖4所示。a、b、c、d各相分別有兩個繞組，每相的一邊繞組與開關器件相連，另一邊繞組與續流二極管相連。此電路有兩種工作狀態。以a相為例，t1管在a相的一邊繞組中建立電流，相電流ia沿圖5（a）所示路徑流動；t1管關斷，通過另一邊繞組和d1回饋電流。相電流ia沿圖5（b）所示路徑流動。 四相四管雙繞組式sr電動機功率變換器主電路拓撲工作模式分析：在圖5（a）所示

6、的模式下，相應的等式為（4）式，ia1為與主開關相聯的繞組中電流，ra1為與主開關相聯的繞組的電阻。在圖5（b）所示的模式下，相應的等式為（5）式，ia2為與二極管相聯的繞組中電流，ra2為與二極管相聯的繞組的電阻。 us-ut=da/dt+ra1ia1 (4) -us-ud=da/dt+ra2ia2 (5) 1.3 四相四管等分直流電源型功率變換器 四相四管等分直流電源型sr電動機功率變換器主電路拓撲如圖6所示。每相用一個開關器件，靠同容量的電容將直流電源等分。此電路的工作狀態用a、b兩相來說明。a相工作時，s1開通，由c1向a繞組建立電流；s1關斷，d1續流回饋電流給c2，相電流ia沿圖7

7、（a）所示路徑流動。b相中的開關管和續流二極管位置與a相對調，目的是保證正、負電源供電平衡。b相工作時，相電流ib沿圖7（b）所示路徑流動。c、d相同理。 四相四管等分直流電源式sr電動機功率變換器主電路拓撲分析：在圖7（a）所示的模式下，直流電源給a相供電，相應的等式為（6）式，開關斷開相應的等式為（7）式。 us/2-us1=da/dt+raia (6) -us/2-ud1=da/dt+raia (7) 14 四相五管（n+1）式功率變換器 四相五管（n+1）式sr電動機功率變換器主電路拓撲如圖8所示。電路中除各相開關及各相續流二極管外，還有一公共斬波主開關及公共續流二極管。此電路有三種運

8、動狀態。以a相為例：公共主開關s0和a相主開關s1開通，電源向a繞組輸送電流，相電流ia沿圖9（a）所示路徑流動；公共主開關s0斬波，a相徑s1、d0自然續流，相電流ia沿圖9（b）所示路徑流動；s0、s1關斷，a相徑d0、d1續流，進一步減小磁化電流，向電容c回饋電能，相電流ia沿圖9（c）所示路徑流動。需要重點說明的是，就本電路而言，當s0導通、s1斷開時，如果相繞組能量沒有耗盡，相電流將經過d1續流，這不利于換相，在設計時要給予考慮。 四相五管（n+1）式sr電動機功率變換器主電路拓撲分析：在圖9（a）所示的模式下，直流電源給a相供電，相應的等式為（8）式；在圖9（b）所示的模式下，相應

9、的等式為（9）式；在圖9（c）所示的模式下，相應的等式為（10）式。 us-us0-us1=da/dt+raia (8) -us0-ud0=da/dt+raia (9) -us-ud0-udt=da/dt+raia (10) 1.5 四相五管帶電容存儲型功率變換器 四相五管帶電容存儲型sr電動機功率變換器主電路拓撲如圖10所示。以a相為例說明電路的工作情況。s1開通，a繞組通電建立磁鏈，相電流ia沿圖11（a）所示路徑流動；s1關斷且s0不開通，a相繞組經過c0續流，且將繞組的磁能以電能的形式存儲存在電容器c0中，相電流ia沿圖11（b）所示路徑流動；當電容c0的電壓高于電源電壓時，開通開關s

10、0，通過電感l0實現二次饋電，沿圖11（c）所示路徑流動。圖9 四相五管帶電容存儲型sr電動機功率變換器主電路拓撲分析：在圖11（a）所示的模式下，相應的等式為（11）式；在圖11（b）所示的模式下，相應的等式為（12）式；在圖11（c）所示的模式下，相應的等式為（13）式。 us-us1=da/dt+raia (11) us-uc0-ud1=da/dt+raia (12) -ul-udl=da/dt+raia (13)圖102 sr功率變換器拓撲的對比分析 在各電路工作原理分析的基礎上，對上述電路的一些性能進行對比分析，以供使用者參考。圖113 功率變換器供電電路仿真 功率變換器向sr電動機提供運轉所需的能量，由蓄電池或交流整流后得到的直流電供電。下面給出兩種整流電路的仿真模型及波形，分別如圖12、圖13所示。圖12 目前，針對不同的sr電機調速系統，已經出現很多類型的功率變換器。總體來看，四相八管式sp電動機功率變換器（不對稱半橋型）和四相五管（n+1）式sr電動機功率變換器主電路應用