开关磁阻电动机新型功率变换器的仿真研究

赵　超，王家军，王　浩

(杭州电子科技大学自动化学院，浙江 杭州 310018)

摘要：功率变换器是开关磁阻电动机驱动系统的重要组成部分，其性能的好坏将直接影响电动机的工作效率和可靠性。介绍了一种新型无源升压功率变换器，对其结构原理及工作特性进行了分析，并在MATLAB/simulink环境下对四相8/6极开关磁阻电动机进行了仿真研究，仿真结果表明，新型功率变换器可以显著地增大启动转矩，同时缩短电流的续流时间，降低制动转矩，提高了系统的效率和动态性能。

关键词：开关磁阻电动机；无源升压功率变换器；励磁电压；启动转矩

DOI: 10.13954/j.cnki.hdu.2015.01.013

开关磁阻电动机新型功率变换器的仿真研究

赵超，王家军，王浩

(杭州电子科技大学自动化学院，浙江 杭州 310018)

摘要：功率变换器是开关磁阻电动机驱动系统的重要组成部分，其性能的好坏将直接影响电动机的工作效率和可靠性。介绍了一种新型无源升压功率变换器，对其结构原理及工作特性进行了分析，并在MATLAB/simulink环境下对四相8/6极开关磁阻电动机进行了仿真研究，仿真结果表明，新型功率变换器可以显著地增大启动转矩，同时缩短电流的续流时间，降低制动转矩，提高了系统的效率和动态性能。

关键词：开关磁阻电动机；无源升压功率变换器；励磁电压；启动转矩

DOI:10.13954/j.cnki.hdu.2015.01.013

收稿日期：2014-06-18

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61273086)；浙江省自然科学基金资助项目(LY12E07001)

通信作者：

作者简介：赵超(1989-),男,山东聊城人,在读研究生,开关磁阻电机控制.王家军教授,E-mail: wangjiajun@hdu.edu.cn.

中图分类号：TM352

文献标识码：：A

文章编号：：1001-9146(2015)01-0063-04

Abstract:As an important part of the switched reluctance motor driver system， the performance of the power converter can affect the efficiency and reliability of motor directly. This paper presents a novel passive boost power converter and its analysis of the structure and characteristics. A control simulation model for a four-phase 8/6 pole switched reluctance motor is built up in Matlab/Simulink environment. The simulation results show that the novel converter can greatly increase the starting torque， shorten the freewheeling time， reduce the braking torque and improve the efficiency and dynamic performance of the system.

0引言

开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor， SRM)驱动系统作为新一代无级调速系统，是由计算机控制技术、数字电子技术及电力电子技术与开关磁阻电动机相结合发展而来，并且由于综合了交流变频调速系统和直流调速系统的优良特性，所以被专家视为电气传动系统发展过程中的一个里程碑。功率变换器是SRM驱动系统的重要组成部分，其性能的优劣将对整个驱动系统的工作效能产生直接影响[1]。传统的SRM驱动系统大多采用不对称半桥式功率变换器，但由于半桥式功率变换器性能上的不足，使得导通相在励磁和续流过程中，电压被束缚在直流侧的母线电压上，限制了励磁电压和退磁电压的增强，同时退磁电流容易延伸至负转矩区形成制动转矩，阻碍退磁过程的进行[2]。本文针对四相8/6极SRM采用了一种新型无源升压功率变换器，有效地改善电动机的控制性能。在与不对称半桥式功率变换器对比的基础上，使用Matlab/Simulink软件进行了仿真实验，实验结果表明，本文所采用的方法对SRM驱动系统具有良好的控制效果。

1新型升压功率变换器的结构及分析

功率变换器是SRM驱动系统的重要组成部分，它首先起到开关作用，使绕组与电源接通或关断，并且为绕组储存的电磁能提供回馈路径，同时为电动机提供运行所需的能量[3]。新型升压功率变换器主电路如图1所示，输入端与电池或整流器等直流电源相连，输出端与SRM各相绕组相连。SRM驱动系统的性能和成本与所设计的功率变换器的性能直接相关[4]。不对称半桥式功率变换器是SRM驱动系统最常用的功率变换器之一，它的每相采用2只开关器件和2只续流二极管，而新型升压功率变换器则是在不对称半桥式功率变换器的前端又增加了2个电容和3个二极管，组成无源升压电路，如图1前半段所示，升压电路可以在励磁阶段和退磁阶段增强相绕组两端的电压。通过电容器C1和Boost电容器C2的储能作用，能够有效的提高导通相绕组的供电电压大小，即当相绕组处于导通状态时，直流电源和升压电容串联，以双倍直流母线电压向绕组供电；当相绕组处于关闭状态时，退磁电流对电容器C1和C2进行充电，增大退磁电压，缩短电流的续流时间，从而加快退磁过程，避免尾电流的产生[2]。

图1　新型升压功率变换器主电路

2新型升压功率变换器的工作模式分析

图2　新型升压功率变换器的升压电路及其工作模式

在升压电路中，Boost电容器C2的选择至关重要。Boost电容器的大小可以小于电容器C1，但必须足以存储退磁时的回馈能量。图3表示Boost电容的充放电循环。在θon位置，相绕组开始励磁，Boost电容放电以建立足够大的励磁电流，直到电容电压减小到与直流母线侧电压大小相同。在θoff位置，关断相绕组，退磁电流对Boost电容进行充电，此时C1和C2串联，因此可以增大退磁电压，加快退磁过程的进行。同时，根据电容的定义式可得电容C2充电电压增量为：

图3　Boost电容的充放电循环

(1)

式中，tf为退磁时间，iph为退磁时相绕组电流。

3新型升压功率变换器的相电压分析

新型功率变换器的工作模式受很多因素影响，例如开通角、关断角、相电流，经分析可知有如图4所示的4种情况。其中，当相电流发生重叠时，导通相与关断相的控制角的边界条件为θon_B=θoff_A或θoff_A=θon_A+15°；当相电流不发生重叠时，导通相与关断相的控制角的边界条件为θon_B=θzero_A或θzero_A=θon_A+15°。

情况1：θon_A<θoff_B且ibs

情况2：θon_B<θoff_A且ibs

情况3：θoff_A≤θon_B≤θzero_A。如图4(c)所示，当功率器件IGBT开通时，相绕组进入快速励磁状态直至导通相与关断相的电流相等，此时，升压电路为输出模式，如图2(d)所示；当功率器件IGBT关断时，相绕组进入快速退磁状态直至导通相与关断相的电流相等，此时，升压电路为输入模式2，如图2(a)所示。

情况4：θzero_A≤θon_B。如图4(d)所示，导通相电流与关断相电流没有重叠，只出现了快速退磁，即退磁电流经二极管D2给电容C1和C2充电。

图4　相电压作用效果图

4仿真和实验结果

本文使用Matlab/Simulink软件对应用新型升压功率变换器的四相8/6极SRM进行了仿真建模，控制系统模型如图5所示。系统外环为速度环，系统内环为转矩环，转速的调节通过PID控制器实现，其输入为参考转速与实际转速之差，输出为参考转矩[6]。参考转矩与实际转矩的差值输入PID控制器从而实现转矩的调节控制，其输出与开关位置角度检测模块的输出相乘结果作为功率变换器Converter的控制信号G，而开关位置

表1　仿真参数的初始值

角度检测模块的输出作为功率变换器Converter的另一个控制信号G1。功率变换器先后采用传统的不对称半桥式功率变换器和新型升压功率变换器，仿真波形分别如图6和图7所示。

根据建立的SRM仿真模型，设定系统的参数值，如表1所示。通过图6和图7仿真波形的对比，可以明显的看出，在新型功率变换器的作用下，励磁电压和退磁电压增大了两倍，启动电流增强，制动转矩的作用时间减少，提高了输出功率。同时，系统运行稳定且具备优良的转速跟踪与转矩响应能力，证明了新型功率变换器的有效性与稳定性。

图5　四相8/6极开关磁阻电动机仿真模型

图6　采用传统不对称功率变换器时仿真结果波形

图7　采用新型升压功率变换器时仿真结果波形

5结束语

本文对原有的不对称半桥式功率变换器进行改进，通过在其前端增加无源升压电路，给出了一种新型升压功率变换器，并在MATLAB/Simulink环境下搭建了四相8/6极SRM的仿真模型，利用此仿真系统可以对SRM的磁链、转矩、电流、电压等进行仿真研究。将仿真结果与采用传统的不对称半桥式功率变换器时的仿真结果进行对比分析，可知新型功率变换器能够明显地增强励磁和退磁电压，缩短励磁和退磁时间，同时增大启动转矩，改善了高速运行时控制系统的性能，提高了电机的输出功率。

参考文献

[1]高一然，孙玉环.开关磁阻电机功率变换器设计[J].物联网技术，2013，(10)：13-15.

[2]李大鹏，冯重阳.新型开关磁阻电机升压功率变换器分析研究[J].伺服控制，2012，(5)：48-53.

[3]俞枭辰.开关磁阻电动机调速系统的仿真与开发研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2013:39-41.

[4]张慧英.四相开关磁阻电机的设计及控制研究[D].焦作：河南理工大学，2008:36-38.

[5]Liang J， Lee D H， Xu G， et al. Analysis of Passive Boost Power Converter for Three-Phase SR Drive[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57(9)：2 961-2 971.

[6]俞枭辰，王家军.开关磁阻电机线性模型的建模与仿真研究[J].杭州电子科技大学学报，2012，32(6)：113-116.

Simulation of a Novel Boost Power Converter for

Switched Reluctance Motor

Zhao Chao， Wang Jiajun， Wang Hao

(SchoolofAutomation，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Key words: switched reluctance motor; passive boost power converter; magnetic excitation voltage; starting torque