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  • 頭條開關(guān)磁阻電機(jī)共上管功率變換器的寬轉(zhuǎn)速安全退磁策略
    2021-01-14 作者:陳輝 張旸明 等  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院的研究人員陳輝、張旸明、蔣冬青、管旻珺、劉闖,在2019年第19期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出,開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)用共上管功率變換器可以有效地減少功率開關(guān)器件的數(shù)量,降低系統(tǒng)成本,同時也具備傳統(tǒng)不對稱半橋變換器相間獨立、勵磁快等優(yōu)點,但是公共上管的存在將出現(xiàn)各相退磁困難的問題。 該文以2(n+1)共上管功率變換器下四相8/6結(jié)構(gòu)SRM為研究對象,研究電流斬波控制和角度位置控制時安全退磁的角度優(yōu)化控制策略,理論推導(dǎo)共上管功率變換器臨界退磁換相時的導(dǎo)通寬度,確保系統(tǒng)在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效可靠的運行;并通過仿真分析及實驗結(jié)果驗證了共上管變換器的SRM在電流斬波控制(CCC)和角度位置控制(APC)模式下安全退磁的控制參數(shù)的合理性。

    開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor, SRM)因其定轉(zhuǎn)子均沒有永磁體、轉(zhuǎn)子上沒有繞組,僅由硅鋼片疊壓,結(jié)構(gòu)簡單堅固;此外,增加SRM相數(shù)能增加轉(zhuǎn)矩密度、減小轉(zhuǎn)矩脈動和增強(qiáng)容錯性能,因此多相SRM在高速運行場合和極端環(huán)境下的應(yīng)用展現(xiàn)出特別的優(yōu)勢,作為船舶、電動車輛、風(fēng)機(jī)和航空航天的驅(qū)動系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

    在多相開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中,常用的不對稱半橋功率變換器中功率開關(guān)器件較多,大大制約了系統(tǒng)的性價比提升;為減少功率開關(guān)器件數(shù)量、降低系統(tǒng)成本,多種改進(jìn)型功率變換器拓?fù)浔惶岢觯鏑-dump式、裂相式、公共開關(guān)式、雙繞組式、電阻耗能式等。

    與不對稱半橋變換器各相控制獨立、開通角和關(guān)斷角可調(diào)節(jié)范圍大、且易于改變控制參數(shù)等特點相比,改進(jìn)型功率變換器拓?fù)渲饕嬖谙嚅g耦合、控制參數(shù)受限、系統(tǒng)性能下降等缺點。為此國內(nèi)外學(xué)者針對改進(jìn)型功率變換器拓?fù)涮岣呦到y(tǒng)性能的控制策略展開了相關(guān)研究。

    • 有學(xué)者分析了去除傳統(tǒng)裂相式功率變換器中點電容后的控制策略,在任意時刻必須保證上、下橋臂同時有一相開通,依賴?yán)@組自身的儲能實現(xiàn)換相,在半周期導(dǎo)通控制模式下相間耦合嚴(yán)重,使得系統(tǒng)效率整體偏低。
    • 有學(xué)者提出了N+2型功率變換器拓?fù)洌ㄟ^在無中點電容裂相式拓?fù)渲悬c引入兩個開關(guān)管,可以實現(xiàn)中點電壓的有源調(diào)節(jié),提高了輸出轉(zhuǎn)矩和故障運行能力。
    • 有學(xué)者提出的高效C-dump功率變換器與傳統(tǒng)C-dump相比,電容耐壓值減小并簡化了控制方法,利用繞組的儲能實現(xiàn)換相,提高了系統(tǒng)效率,但是無法實現(xiàn)能量回饋。
    • 有學(xué)者進(jìn)一步改進(jìn)了C-dump拓?fù)洌瑢㈦娫磁c電容串聯(lián),減少電池的充放電頻率,尤其在低速時大大減少了開關(guān)頻率,在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高了系統(tǒng)效率。

    本文研究的n+1共上管功率變換器拓?fù)渥钤缭谙嚓P(guān)研究中提出,并描述了各開關(guān)管的通斷邏輯。共上管功率變換器四相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中兩相繞組與三個開關(guān)管連接,共上管同時連接兩相繞組的一端,繞組另一端分別與一個下開關(guān)管連接。與不對稱半橋變換器相比,每兩相減少一個開關(guān)管和一個二極管,繼承了不對稱半橋主電路相間隔離的優(yōu)越性,但是由于公共上管的存在,給繞組的安全退磁帶來難度。

    有學(xué)者在共上管功率變換器拓?fù)浠A(chǔ)上通過增加升壓電路加快相繞組的勵磁和退磁,提升電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和系統(tǒng)效率,同時也增加了主電路復(fù)雜性。有學(xué)者針對共上管變換器,僅檢測母線電流并通過相電流重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)各相電流檢測,進(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本。

    學(xué)術(shù)簡報︱開關(guān)磁阻電機(jī)共上管功率變換器的寬轉(zhuǎn)速安全退磁策略

    圖1 四相2(n+1)共上管功率變換器拓?fù)?/p>

    現(xiàn)有文獻(xiàn)并未重點討論控制參數(shù)對共上管變換器的性能影響。本文首先分析該變換器的工作模態(tài);為確保系統(tǒng)在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)高效可靠的運行,推導(dǎo)基于安全退磁的控制角度的約束條件,并通過分析控制角度參數(shù)綜合優(yōu)化系統(tǒng)出力和效率;最后研制一臺350W寬轉(zhuǎn)速范圍的高速8/6結(jié)構(gòu)四相開關(guān)磁阻實驗樣機(jī),搭建實驗平臺,通過仿真與實驗結(jié)果驗證了所提控制策略的正確性。

    學(xué)術(shù)簡報︱開關(guān)磁阻電機(jī)共上管功率變換器的寬轉(zhuǎn)速安全退磁策略

    圖16 開關(guān)磁阻電機(jī)實驗平臺實物圖

    結(jié)論

    本文提出了開關(guān)磁阻電機(jī)共上管功率變換器的寬轉(zhuǎn)速安全退磁控制策略研究,對使用該拓?fù)涞呐紨?shù)相SR電機(jī)控制參數(shù)選取都具有參考意義。首先根據(jù)變換器的工作模態(tài),分析了導(dǎo)通寬度對安全退磁的影響;然后,基于分段線性電感模型,推導(dǎo)了在不同工作模式下安全退磁的導(dǎo)通寬度條件;最后通過仿真進(jìn)一步對控制角度進(jìn)行優(yōu)化,并通過實驗驗證了本文所提出的方法的可靠性。得到結(jié)論如下:

    • 1)共上管變換器拓?fù)錅p少了功率開關(guān)器件,簡化了系統(tǒng)的復(fù)雜性,降低系統(tǒng)成本。
    • 2)相比不對稱半橋變換器,控制策略上需考慮換相時間增加帶來的不利影響,由于導(dǎo)通寬度的減小會使SRM轉(zhuǎn)矩脈動有所增加,使共上管變換器拓?fù)涓m于在料理機(jī)、洗衣機(jī)等考慮成本、對振動和噪聲要求較低的中小功率等級電器中應(yīng)用。
    • 3)通過理論分析并結(jié)合仿真和實驗驗證了基于共上管變換器的SRM在CCC和APC模式下安全退磁的角度優(yōu)化控制參數(shù)的合理性。
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