基于PWM整流器的开关磁阻电机驱动系统

陈 静 张 能

（1.淮阴师范学院物电学院，安徽 淮安 223300；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉 430074）

开关磁阻电机具有结构简单、工作可靠、成本低等优点，适用于矿山恶劣的开采环境。全数字控制的开关磁阻电机驱动系统（SRD），具有较好的调速性能，大大的提高了系统工作效率。目前，大部分SRD驱动系统仍采用不控整流或相控整流方式，对电网污染较大，谐波较严重[1-3]。本文以某矿矸石山绞车电控系统改造为背景，研究一种基于 PWM整流器的SRD驱动系统。

1 开关磁阻电机驱动系统的构成

基于PWM整流器的SRD驱动系统结构如图1所示。系统采用 TMS320F2812 DSP作为电机主控芯片，整流环节采用三相全桥 PWM整流器，将三相电网电压变为直流；逆变环节为带滞环控制的不对称半桥结构，控制功率器件开通和关断。

2 锁相环控制

图1 基于PWM整流器的SRD驱动系统结构图

经坐标变换，可以得出

由于φ≠0，造成Vq不为零，系统不能工作在单位功率因数，对电网造成一定的污染。锁相环技术，就是通过对Vq的处理，使其非常逼近0，当到达一定程度的时候，认为其能锁定电网角度，进而能够时刻检测出电网的角度[4-5]。图2为锁相环控制原理框图。

图2 锁相环控制原理框图

图2中，由于Vq可能不为0，把经过滤波后的相位误差 PLL_ERR经过一个 PI调节器后，得到了一个偏差频率。而通过将偏差频率叠加在电网的工频50Hz后，再经过一个积分环节，就得到了所需要的相角PLL.out，锁定了电网角度[6]。通过锁相环控制，能够始终保持PLL.out与电网角度相同，并且能够保证Vq= 0 ，使系统一直运行在单位功率因数。

3 负载前馈控制

将负载电流i0作为一个外部扰动，i0的变化会导致直流电压v0波动，使v0与设置值不同。而通过电压反馈，再经过了电压环调节后，能慢慢的使v0逼近设置值，使系统工作在稳定状态。电压环控制框图如图3所示。

图3 电压环控制框图

对于直流电压的波动，可以通过系统的前馈补偿控制来消除负载突变所产生的影响[6-7]。当加入前馈控制后，前馈补偿器的传递函数为，如图3中的虚线所示，则直流母线电压的输出表达式

若选取前馈补偿的传递函数

可以得出直流电压

此时，系统输出直流电压与负载电流i0没有关系，能够消除负载突变对系统直流电压的影响。实际设计时，通常采用简化的方法，来尽量消除负载的影响。根据整流器输入输出功率相等原则，可以计算出负载侧电流：

使用负载电流作为系统的电流前馈，就能减小对系统直流电压的扰动。负载前馈控制系统的解耦框图，如图4所示。

图4 负载前馈的控制系统

4 仿真与实验

4.1 仿真结果

利用Matlab/Simulink搭建基于PWM整流器的开关磁阻电机驱动系统模型，验证以上控制算法。整流侧，采用 PWM整流器将三相输入电压整成直流；逆变侧，根据CCC控制方法，控制功率开关器件通断，实现电机转速控制。

具体仿真参数设置如下：变频器额定输出容量100kW；网侧电压 220V；输入电压频率 50Hz；交流进线电阻R= 0.05Ω；直流侧电压：仿真波形如图5和图6所示。

图5 负载突加时v0的动态响应

图6 有锁相环时网侧电流电压波形

图5可以看出，使用负载前馈时，系统直流电压的波动约为8V，很大程度上的降低直流电压的脉动。图6中，当电网电压相位发生突变时，采用了锁相环技术的网侧电流变化平稳。仿真结果验证了采用锁相环时，系统稳定性能更好。

4.2 实验结果

本文以绞车电控系统改造为背景，研究出一种具备四象限运行特性并且具有能量回馈电网的SRD驱动系统，系统带负载运行如图7所示。

图7 网侧电压电流波形与电机侧电流波形

图7（a）为电动模式时的电网电压电流波形，及电机侧电流波形。可以看出，在电动模式时，交流侧的电压与电流基本同相位，系统工作在单位功率因数。而电机侧电流波形近似为一个方波平稳，波动很小，系统的稳定性能较好。

图7（b）所示为回馈制动时的电压电流波形。从图中可以看出，电网侧电压电流呈反相位，单位功率因数为-1。直流侧电压稳定，电机侧电流平稳。

5 结论

本文提出了一种基于 PWM整流器的开关磁阻电机驱动系统，与前级采用不控整流的方法相比，可实现能量双向流动，减少了电网污染。同时，系统采用锁相环负载前馈控制的方法，极大的减小了电机的脉动，提高了控制效果。仿真和实验结果证实了基于 PWM整流器的开关磁阻电机驱动系统的可行性与优良性。

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