开关磁阻电机功率变换器主电路拓扑的研究

核心提示：　　开关磁阻电机（SRM）转子上无绕组，定子上为集中绕组，其结构简单、坚固，工作可靠，因而使其逐渐受到广泛重视。其实泰勒早在1839年中就提出了SRM，但之后很长的时间却几乎无人问津这其中主要原因是S

　　开关磁阻电机（SRM）转子上无绕组，定子上为集中绕组，其结构简单、坚固，工作可靠，因而使其逐渐受到广泛重视。其实泰勒早在1839年中就提出了SRM，但之后很长的时间却几乎无人问津这其中主要原因是SRM的功率变换器在当时几乎是不可能实现的。近二三十年，随着电力电子器件、MCU、DSP的快速发展，使得功率变换器和控制器也有了发展的基础。

　　SRM系统是典型的机电一体化系统，其功率变换器与控制器更是不可分离。在整个系统中，功率变换器中成本的比重很大，而且SRM工作电流电压并非正弦波，而是受系统运行条件及电机设计参数的制约，很难准确预料，这些都使得功率变换器的设计以及开关器件的选择极为重要而又复杂。

　　本文主要介绍了功率变换器的各类拓扑及其适用场合，还简要介绍了功率变换器件的性能及其选择原则。

　　2功率变换器的设计要求（）尽量使用最少数量的开关器件；最好功率变换器既适用偶数相，又适合奇数相；主开关器件的电压额定值与电机接近；具有迅速增加相绕组电流的能力；（）可通过开关器件调制、控制相电流；（6）在磁链减少时，能回馈能量，尽量提高效率。

　　当然，这些要求不能孤立地看，比如说在高电压大功率的情形，如果我们一味强调使用最少数量的开关器件，那么势必提高开关器件的电压，这样有可能降低系统的可靠性而且增加成本。所以设计功率变换器要综合考虑性能和成本等因素。

　　3各种功率变换器主电路拓扑3.1半桥式半桥式功率变换器控制方式灵活，有很多种改进形式，但总的来说需要元件数量较多，成本较高。

　　开关磁阻电机的功率变换器中，最灵活、应用最广泛的就是（a）所示的不对称桥式变换器。

　　每一相需要两个开关管T1、T2和两个二极管D1、同时打开后，phi通过D1、D2续流回馈能量。正是由于能量可以回馈，因此这种变换器效率很高。而且如果出现两相同时工作的情况，由于各相独立的结构，是互不影响的。但是所需元件数量多，因此成本较高，主要应用在高电压大功率而且相数较少的场合。

　　为了保持不对称桥式变换器的优良性能，又尽量减少元件，进而出现了不少拓扑结构。如（b）中，两相除了每相开关T1、T2还公用了开关T3、T4减少了开关个数，但是在每相的回路中存在三个开关管，这样增加了损耗，也降低了电压利用率。（）中改进了这一问题中介绍La可改为阻尼电阻或采用斩波方式限流。

　　（b）是在不对称半桥的基础上加了电容Cb1，让Cb1储能，这样可以提高下一相开通时电流上升的速度。（）是（b）的改进，Cb2比Cb1上的电压要低得多因此可以选择较廉介的电容。Pul 3.2电容储能式器它是利用一个串联（（a））或并联的电容（（b）），通过一个由Cb、Ta、Da和La组成的Buck（降压）DC―DC变换器，将能量回馈到直流母线上。Cb为附加储能电容，这种变换器有些中也将其称为含有DC―DC电路的变换器。用这样的方式来将能量从附加电容Cb传到下一个绕组中，可以保证电容不过放电或是过充电，关闭电压可以得到精确控制。不足之处在于元件数量增多，控制难度较大，而且器件的设计要求达到DC―DC变换器的高频（几十k以上），而仅在电机绕组开通或关断时工作，造成一定的浪费。

　　3.3电感储能式两个绕组ph1a、ph1b相互耦合，辅助绕组phlb的作用是将储存在磁芯中的能量回馈到DC中。这样做最大的好处是能把频率提高。但是辅助绕组不可能做到完全交链，因此需要额外缓冲电路，而且制作电机比较复杂（需要特制绕组），辅助绕组的加入也加大了绕线体积，降低了单位体积铜的效用。

　　3.4能耗式对储存在绕组中的剩余能量不是回馈，而是将其消耗掉。这样做的好处是减少了元件数量，使得结构和控制都变得简单。但是这样降低了效率，而且耗能电阻的发热要注意处理。此方法多应用在对效率要求不高而又强调成本低廉的小功率场合。（a）应用一个简单的电阻R来吸收能量ph中的剩余能量，（b）则将ph中的能量消耗在稳压管D1上。T1断开后，ph1给Cb谐振充电，之后Ta合上，Cb与Lb谐振，Dr2阻止反充电，Lb最终通过Dr1将能量返回电源Vs. 3.6各类功率变换器的比较表1是各类功率变换器的比较，表中数都是m类别开关数量二极管数适用相数电源电压利用率是否有能量回馈能否迅速增加开通电流半桥式。

　　3Vt有不能。cmm偶数Vs― 3Vt有不能。2mm+1偶数Vs/2―Vt有能电容储能式。a2m奇偶Vs+ Vt有不能电感储能式mm奇偶Vs― Vt有不能能耗式。amm奇偶Vs― Vt无不能。bmm奇偶Vs― Vt―Vd无不能谐振式。amm3的倍数（Vs―V）/2有能。bmm4的倍数Vs―Vt有不能。cm+1m+2奇偶Vs― 2Vt有不能表1功率变换器的比较表4功率变换器中的主开关器件SRM系统根据输出特性不同，电流波形也不同及高性能的调速特性，给功率变换器也提出了相对感应电机驱动系统更加严格的要求。合理选择与电动机功率等级、供电电压、峰值电流、成本等有关，另外还与主开关器件本身的开关速度、触发难易、开关损耗、抗冲击性、耐用性、并联运行的难易程度、峰值电流额定有效值（或平均值）电流定额的比值大小及市场普及程度等有关。以下是几种主要应用开关器件的各自特点以及应用场合。微电机，2⑴0大学电器自动化专业，现为华南理工大学电力学院研究生，电力电子及电气传动专业，研究方向为开关磁阻电机的控制