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

在多相開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，常用的不對(duì)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(jià)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?，如C-dump式、裂相式、公共開關(guān)式、雙繞組式、電阻耗能式等。

與不對(duì)稱半橋變換器各相控制獨(dú)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(diǎn)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(diǎn)。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)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(diǎn)電容后的控制策略，在任意時(shí)刻必須保證上、下橋臂同時(shí)有一相開通，依賴?yán)@組自身的儲(chǔ)能實(shí)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^(guò)在無(wú)中點(diǎn)電容裂相式拓?fù)渲悬c(diǎn)引入兩個(gè)開關(guān)管，可以實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓的有源調(diào)節(jié)，提高了輸出轉(zhuǎn)矩和故障運(yùn)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(jiǎn)化了控制方法，利用繞組的儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)換相，提高了系統(tǒng)效率，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量回饋。
• 有學(xué)者進(jìn)一步改進(jìn)了C-dump拓?fù)?，將電源與電容串聯(lián)，減少電池的充放電頻率，尤其在低速時(shí)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(gè)開關(guān)管連接，共上管同時(shí)連接兩相繞組的一端，繞組另一端分別與一個(gè)下開關(guān)管連接。與不對(duì)稱半橋變換器相比，每?jī)上鄿p少一個(gè)開關(guān)管和一個(gè)二極管，繼承了不對(duì)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(lái)難度。

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

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(diǎn)討論控制參數(shù)對(duì)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(yùn)行，推導(dǎo)基于安全退磁的控制角度的約束條件，并通過(guò)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(tái)350W寬轉(zhuǎn)速范圍的高速8/6結(jié)構(gòu)四相開關(guān)磁阻實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提控制策略的正確性。

圖16 開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)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(duì)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(duì)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(guò)仿真進(jìn)一步對(duì)控制角度進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jiǎn)化了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低系統(tǒng)成本。
• 2）相比不對(duì)稱半橋變換器，控制策略上需考慮換相時(shí)間增加帶來(lái)的不利影響，由于導(dǎo)通寬度的減小會(huì)使SRM轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(duì)振動(dòng)和噪聲要求較低的中小功率等級(jí)電器中應(yīng)用。
• 3）通過(guò)理論分析并結(jié)合仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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。