开关磁阻电动机功率变换器性能及可靠性比较

顾灶根，刘 闯，周 峰

(南京航空航天大学，江苏南京210016)

0 引 言

开关磁阻电动机(以下简称SRM)主要由开关磁阻电动机本体、功率变换器、控制器及位置检测四大部分组成，是一种典型的机电一体化装置。与传统电动机相比，它具有结构简单、调速性能优异、效率高、可靠性好等优点。功率变换器作为开关磁阻电动机调速系统的重要组成部分，对整个系统的性能起着关键的作用，对其研究一直是一个热点和难点;功率变换器的成本在系统成本中所占比例较高，并且变换器对系统性能、可靠性的影响较大，因此对其进行研究有利于降低成本、提高系统性能指标以及可靠性。目前对功率变换器的研究主要着眼于降低转矩脉动、高速换相性能、提高效率等。文献［2］提出了一种四电平变换器来减小转矩脉动的方法;文献［3］则为提高效率而提出了一种C_Dump变换器方法;文献［12］为减小径向力以及提高换向性能而提出了一种三开关变换器;文献［11］为实现向绕组电流精确控制，减小高频下的开关损耗而提出了软开关变换器技术。随着人们对产品质量的关注与重视，可靠性研究显得日益迫切。而以上文献对SRM功率变换器的研究几乎都忽略了变换器自身可靠性问题。主电路器件数量、控制策略复杂程度、高频开关产生的EMI都会影响电路可靠性。功率变换器的故障失效直接导致整个系统瘫痪，因此分析变换器对系统性能的影响的同时，其可靠性问题也不容忽视。本文在对常见的功率变换器主电路拓朴分析比较的基础上，结合变换器可靠性分析和建模，进行仿真结果分析。

1 功率变换器的选用原则

一个好的开关磁阻电动机功率变换器应该具备与电机结构匹配、结构简单、控制方便、效率高、成本低等特点，其结构形式应同时具备如下条件:

(1)只需单极性供电;

(2)开关器件数量尽量少;

(3)在偶数相与奇数相电机中均能适用;

(4)主开关管电压额定值与电机接近;

(5)具有较好的换相能力;

(6)绕组电流可通过开关管的调制来控制;

(7)续流时能够将剩余能量回馈给电源。

2 几种常见功率变换器主电路拓扑

2.1 双开关变换器

即不对称半桥变换器，如图1所示。每桥臂有两只主开关管和两只续流二极管。当两只主开关管导通时，电源给电机相绕组励磁;当两只主开关管关断时，相电流经续流二极管续流，将磁能转化为电能回馈给电源。由于全电源电压反向施加在绕组上，可以强迫续流相电流很快至零，实现快速、可靠换相。

图1 不对称半桥主电路

2.2 公共开关式变换器

如图2所示，有一只公共开关管S在任一相导通时均开通、当S和SA导通时电源向绕组A供电励磁;当SA导通、S关断时，A相电流经VD→A→SA续流;当S导通、SA关断时，相电流经VDA→S→A 续流;当 S、SA同时关断，绕组通过VD与VDA向电源回馈能量，实现强迫换相。

图2 公共开关式

2.3 裂相式变换器

图3 裂相式

2.4 H桥变换器

如图4所示，H桥电路是对裂相式电路的改进。相比于图3的裂相式，少了两个大电容，减小了变换器体积。但是该变换器任意时刻必须保证上下桥臂各有一相导通，即该变换器仅适用于偶数相电机。换相相的剩余能量没有全部回馈给电源，而是将其中的一部分能量注入到导通相绕组中，会引起中点电位的浮动。例如，A相换相到C相时，A相绕组续流电流直接注入B向绕组，换相能量直接向导通相转移，引起中点电位浮动(增大)，这加速了关断相A相换相过程，但不利于导通相C绕组电流的建立。

图4 H桥式

2.5 电感储能式主电路

如图5所示，每相有两个同名端反接，双线并绕，匝比为1∶1的主、副绕组。主开关管S导通时，电源Us对导通相绕组A励磁;当其关断时，由于磁耦合，绕组A的电流向副绕组B转移，通过二极管向电源迅速回馈电能，实现强迫换相。但是由于漏磁及漏感的原因，在开关管关断瞬间会产生较高的尖峰电压，故需针对开关管设计缓冲电路。另外，主、副两个绕组的存在降低了电机槽及铜线的利用率。

图5 电感储能式

2.6 电容储能式变换器

如图6所示，当某相开关管关断时，储存在绕组中的能量经过续流二极管暂时储存到电容C1里。然后适时开通开关管S，使电容C1向电容C转移电能，实现两次馈电。

图6 电容储能式交换器

2.7 C_Dump 变换器

如图7所示，C_Dump电路是电容储能式主电路的改进结构。A相功率管Ta与辅助管Td导通时，电源给A相绕组励磁，中间电容则通过辅助管向电源端馈能放电;Ta关断，Td导通，A相绕组通过Td零电压续流;Ta、Td关断，A相绕组承受中间电容负压退磁;系统效率与Td的工作频率有关。且该电路为防止Td导通时产生瞬间过电流而引入了电感Ld。

图7 C_Dump电路

2.8 能耗式主电路

如图8所示，主开关管导通时，电源给该相绕组励磁;当主开关管关断后，电流经二极管续流，流过换相电阻R时产生电压i·R反加于绕组两端，从而实现强迫换相。续流时，能耗式电路没有将储存在绕组中的剩余能量回馈给电源，而是将其消耗在电阻R上。该电路元器件数量少，电路结构、控制都很简单，且可靠性高。但是由于换相电阻要消耗电能，系统效率不高，而且电阻发热集中，需采取散热措施。

图8 能耗式电路

2.9 三开关变换器

图9 三开关电路

如图9所示，当三个主开关管S1、S2、S3均导通时，电源对绕组励磁，当 S1、S2、S3同时关断时，绕组A1经电源负极→D1→A1→D3→电源正极向电源回馈能量，绕组A2经电源负极→D2→A2→D4→电源正极向电源回馈能量。若S2导通，S1、S3关断，两个绕组 A1、A2经电源负极→D1→A1→A2→D4→电源正极回馈能量;S2关断，S1、S3导通时，A1→D3→S1续流，A2→S3→D2续流。由此可见，尽管电路器件多，成本高，但其续流模态多，控制策略灵活，并且有利于绕组快速换相，适用于高速场合。

表1是上述9种功率变换器的特性比较。

表1 功率变换器特点比较表

3 功率变换器可靠性分析

据美国海军电子实验室统计，整机出现故障的原因和各自的百分比如表2所示。

表2 整机故障统计表

从表2可以看出，方案与拓扑的设计占据了整机故障的40%，因此选择设计一个好的拓扑，对变换器进行性能与可靠性分析具有实际意义。

3.1 可靠性建模

可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力，或者说是产品保持其功能的时间。可靠性综合反映了一个产品的无故障性、耐久性、有效性和经济性，因此应由多种评定指标才能判定其综合特性。可靠性考核指标为可靠度R、可靠寿命T、平均寿命时间tMTTF、平均无故障工作时间tMTBF、失效率等。对于不可修复产品(如控制芯片、小型中间继电器、电瓷制品、电容器、二极管等)，采用指标tMTBF。它是指产品失效前的平均工作时间，定义:

3.1.1 电容可靠性模型

功率电路中母线电容为电解电容，寿命近似服从指数分布，其可靠度 Rc(t)=e－λct，失效率:

式中:λb基本失效率，即:

式中:B为形状参数;S为工作电压与额定电压之比;T为工作环境温度;H为加速常数;Ns为应力常数。

3.1.2 MOS 管可靠性模型

功率MOS管的寿命近似服从指数分布，其可靠度 RS(t)=e－λSt。

失效率:

式中:λb为基本失效率;πQ为质量系数;πE为环境系数;πS为电压应力系数;πT为温度应力系数;πC为结构系数。

式中:A为失效率调整参数;NT为形状参数;Tm为最高允许温度;T为工作环境温度;△T为Tm与满额时最高允许温度的差值;S为工作电压应力与额定电压应力之比。

3.1.3 续流二极管D的可靠性模型

续流二极管可靠性模型服从指数分布RD(t)=e－λDt，其失效率模型:

式中:λb为基本失效率;πQ为质量系数;πE为环境系数;πS为电压应力系数;πT为温度应力系数;πC为结构系数。

基本失效率λb模型与MOS管相同。

3.1.4 电源(蓄电池)可靠性模型

蓄电池镉镍的寿命近似服从指数分布:

失效率模型:

式中:λb为基本失效率;πQ为质量系数;πE为环境系数;

3.2 变换器可靠性模型

对于功率变换器桥臂而言，n相桥臂中当有大于或等于K相有效时(例如:三相电机采用不对称半桥电路时，只要大于等于两相桥臂正常，系统仍有效)，不影响系统正常工作，而对于电源，母线电容等公共器件如若失效必然导致系统失效，因此功率变换器可靠性模型如图10所示。

变换器的失效模式主要表现在图10中各功能模块或功能器件的失效，变换器的可靠性模型为N相桥臂的K/N模型与电源母线电路，以及其他公共器件的串联模型。变换器可靠度(这里假设绕组可靠性为1，对变换器可靠性分析无影响)如下:

式中:j表示n桥臂中只要有大于等于j个桥臂正常工作时，对系统正常运行影响较小，此时认为系统没有失效。

4 仿真分析

4.1 仿真模型建立

为了更好地对比分析功率变换器对电机运行性能的影响，设计了一台三相12/8结构SRM样机进行仿真，其输入电压48 V(DC)，输出功率350 W，额定转速 3 600 r/min。在JMAG中建立的电机有限元仿真模型，如图11所示。

图11 12/8 SRM有限元模型

通过JMAG有限元场计算软件对该电机进行电磁仿真，获得电机的磁链曲线族ψ(θ，i)以及电机线圈转矩曲线簇T(θ，i)，如图12、图13所示。

图12 磁链曲线簇

图13 转矩曲线簇

将得到的磁链与转矩数据导入MATLAB中并建立仿真模型如图14所示，开通角－1.5°，关断角17°。

图14 12/8 SRM仿真模型

4.2 仿真结果分析

图15、图16、图17分别为相同导通角关断角条件下，能耗式、不对称半桥、公共开关管式、C_Dump电路作为功率主电路时的SRM系统输出相电流波形对比图、输出相转矩对比图以及输出合成转矩对比图。从图中可以看出，能耗式、不对称半桥、C_Dump电路的续流电流不能迅速下降而存在严重的电流拖尾现象，显然续流电流如果不能在电感下降区之前下降到零，会影响换相性能。公共开关管时主电路续流电流下降迅速，因此可以通过增大电机导通时间来提高电机出力以及载荷能力;不对称半桥与C_Dump电路虽然效率高，但转矩脉动比公共开关管式主电路大。

图15 输出相电流对比图

图16 输出相转矩对比图

图18为相同条件下(环境温度50℃)，假设电机绕组可靠度为1时，不同功率变换器的可靠度仿真对比图。可以看出，能耗式电路由于结构简单，器件数量少，可靠度最高，因此该变换器非常适合于低效率小功率场合。三开关由于器件多，电路结构较复杂而使得其可靠性较低;公共开关管式主电路则由于公共开关管与公共续流二极管的串联模型导致其可靠性较低。

图17 合成转矩对比图

图18 可靠度对比图

5 结 语

近几十年来出现了很多开关磁阻电动机功率变换器的拓扑结构，在不同条件下它们各有优缺点，需要对这些变换器进行对比分析，综合考虑功率变换器拓扑的选择原则，以发挥其最大的效用。功率变换器可靠性模型可以在一定程度上反映系统的可靠性，能够为可靠性考核以及变换器的选取提供依据。在保证系统性能要求的前提下，可以通过优化电路结构、选用可靠性更高的元器件、减少器件数量等方法可以提高系统可靠性。本文在三相12/8结构SRM基础上，利用MATLAB/Simulink对几种常见变换器在相同条件下的电机运行性能、变换器可靠性等进行仿真对比分析后，相比于其他功率变换器，认为不对称半桥电路具有一定的优势。

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