高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计
图3.6 电容分压型 图3.7 H桥型
4、H桥型
该变换器比四相电容分压型功率变换器主电路少了两个串联的分压电容，换相相的磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注入导通相绕组，引起中点电位的较大浮动。它要求每一瞬间必须上、下各有一相导通。
本电路特有的优点是：即可以实现零压续流，提高系统控制性能。H 桥型主电路只适用于四相或四的倍数相SR 电动机，它也是四相电动机广泛采用的一种功率变换器主电路形式。实际上，四相电容分压型主电路采用两相导通方式，其工作情况和H 桥型主电路是相同的。
通过以上各种功率电路的分析和比较，由于本论文采用四相8/6 极、5.5KW 开关磁阻电机作为实现ARM 控制的系统，所以考虑主电路结构采用H 桥型主电路，电路如图3.8 所示。
图3.8功率变换器主电路设计
A, B, C, D 为SR 电动机的四相绕阻，VDl-VD4 为快速恢复续流二极管，VTl-VT4
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 为开关管。Us 为整流电路输出的直流电源电压，电容C1 为滤波电容，同时还有吸收SRM 换相时回溃能量的作用。电路采用两相通电方式。例如，由AB 相通电到BC 相通电的换相过程当中，A 相关断，C 相开始导通，B 相维持导通。此时，A 相处于续流状态，加上C 相形成电路，使B 相电流增大，中点电位必然增高，促使A 相续流电流迅速衰减，由此实现强制换相。其中功率开关用PWM 控制信号通过驱动电路来进行控制其关断。
3.2.2 主开关器件的选择
开关磁阻电机(SRM)功率变换器的主开关器件的选择与电动机的功率等级、供电电压、峰值电流、成本等有关;另外与主开关器件本身的开关速度、触发难易、开关损耗、抗冲击性、耐用性等也有十分密切的关系。下面就对几种现在常用的主开关元件做个详细的介绍。 (1) 晶闸管
晶闸管(SCR)又称可控硅，是一种可控的单向导电大功率电力电子元件，正反向阻断电压可达几千伏，导电电流可达几千安，而且管压降较小，这些均是晶闸管作为功率电路相开关的优势，但晶闸管的缺点是没有自关断能力，一旦正向导通后，控制极就失去了控制能力，必须有附加强迫关断电路才能迫使晶闸管关断，而且关断速度低。所以晶闸管作为功率电路的主开关元件并不理想。只有大功率的电动机在其它电力电子元件不能满足大电流高电压的要求情况下，才选用晶闸管，但也要选用开通和关断时间短的开关型晶闸管。 (2) 门极可关断晶闸管
门极可关断晶闸管(GTO)，保持了晶闸管的优点而克服了晶闸管的缺点，可自控关断。但需要给GTO 提供较大的反向门极电流，由于给GTO 提供较大的反向门极电流不是件容易的事，所以选用可关断晶闸管作为功率电路的主开关元件也并不广泛。 (3) 双极型功率晶体管
双极型功率晶体管(GTR)应用于电路中时，工作于饱和截止状态，当驱动电路向GTR 的基极提供足够大的基极电流，GTR 饱和:当基极信号消失时，则GTR 截止。因此它的通断控制方便，而且开关速度快、耐压高、电流大。.所以GTR 在中小功率SR电动机功率电路中被广泛采用，它的缺点是输入阻抗较小，要求功率电路输出功率较大。 (4) 功率场效应管
功率场效应管(MOSFET)也称单极型晶体管，与GTR 相比，MOSFET 的输入阻抗大，栅极电流很小即可被驱动，而且可以由CMOS 集成电路或光耦器件直接驱动，因此对驱
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 动电路要求不高，另外它还具有开关速度快、工作频率高等优点，所以在许多功率电路中广泛应用MOSFET，尤其是小功率S R 电动机功率电路中选用MOSFET
具有较好的经济性，MOSFET 的缺点是较GTR 的通态压降大。 (5) 绝缘栅双极型晶体管
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，是80 年代出现的新型复合开关器件。大功率IGBT是在功率场效应管的基础上增加了一个P+层发射极构成，为4 层结构.它相当于一个有MOSFET 驱动的厚基区GTR，等效电路如图3.9 所示，可以认为IGBT 是以GTR 为主导元件，MOSFET 为驱动元件的达林顿结构器件。IGBT 兼有MOSFET 和GTR 的优点，不但具有MOSFET 的输入阻抗大、开关速度快、驱动电路简单等优点，而且具有GTR 的通态压降小、耐压高、电流大等优点。因此各种容量等级的SR 电动机调速系统中，选用IGBT 作为功率电路的开关是比较理想的。
通过以上的比较和分析，在本论文中，采用的功率器件是绝缘栅双极型晶体管IGBT。
图3.9 绝缘栅双极型晶体管
3.2.3 功率变换器的设计
通过上文分析，本论文采用的是H 型功率电路，在SRD 系统的功率电路中，首先交流要经过整流才能供开关磁阻电机运行，整流电路为全桥整流，其输出端并联两个电容，它们的作用是用来对整流电路的输出进行滤波。 1、功率电路中元件的定额
若已知SR 电机原始数据如下：
定转子极数比：8/6 额定电压：513V(直流),380V(交流) 转速范围：100～2000r/min 额定功率：5.5KW (1) 电压定额
开关磁阻电机的功率变换器在工作时，考虑到主开关器件和整流二极管能承受一定的瞬间过电压，以及选的元件应留有安全裕量，所以主开关元件和整流二极管一般定
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 额为额定工作电压的2 至3 倍。
三相全波整流峰值电压：Us＝2.4493220＝537V 其平均值为： U0＝513V
考虑到2 倍的电压裕量，则主开关器件、整流二极管的耐压URS、URD 定额为：URS＝URD ≥ 2 Us＝1078V
考虑到主开关器件的裕量和整流二极管的市场情况，主开关器件和整流二极管电压容量选为1200V。 (2) 电流定额
电流一般是以额定电流为电流定额作为电流定额的选型依据，考虑到元件应有的安全裕量，所以主开关元件和整流二极管的电流定额为有效值的2 到3 倍。在已知SR 电机额定功率的情况下，根据经验公式，最大峰值电流为：
I?2.9?5500?36.6A0.85?513
设流过二极管的电流ID 相平衡，则根据公式：
3ID = 36.6A 则ID=21.1A 根据市场情况选择的整流二极管参数为30A/1000V,主开关器件IGBT的参数为60A/1200V。 2、功率电路的工作过程
本系统功率电路如图3-10 所示，其工作原理是：在任何时刻，电路中四相绕组中有两相同时通电导通，在转子位置0°～60°的一个转子周期内，SR 电机各相通电顺序为DA-AB-BC-CD，A、C 相IGBT 进行PWM 控制，两相绕组上得到的平均电压U 和电源电压EC 的关系为：U=EC3TON/T 。
图3.10(a) A 相和B 相续流图
可以通过调节TON 的宽度即可改变绕组上的电压，从而控制绕组中的电流，达到控制转矩的目的。下面以AB 两相为例，对功率变换器进行分析。如图3.10所示，AB 通电期间，主开关SA 作为斩波开关，实现PWM 信号控制，开关SB 仅仅用来换向，假设电流方向从A 到B，这样的拓扑结构电流有三种情况，如下所示：
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高效节能型开关磁阻电机控制系统研究设计 (1) 当SA 和SB 全部导通时，电流通过A、B 相两个绕组产生相电流，如图(a)所示
(2) 当SA 断开、SB 闭合时，电流不能回馈电容，电流下降的比较缓慢，对电机的换向不太有利，但对电机出力以及降低运行噪声有利。如图(b)所示。
图3.10(b) A 相和B 相续流图
(3) 当同时断开的时候，绕组电能通过两个续流二极管回馈给电容，绕组感应电 动势与电源电压极性相反，绕组中电流下降很快，这给换向带来了好处，但是绕组中电流很不平滑，使电动机脉动较大，对电机的寿命影响很大。如图(c)所示。
图3.10(c) A 相和B 相续流图
3.2.4 功率电路的相开关通断时刻
由于开关磁阻电机的非线性，使得定子相绕组的电感不仅是电流的函数，而且随着转子空间位置角θ 的变化而变化，理想的电感电流变化曲线如图3.11 所示：功率电路相开关的通断时刻，对应着一定空间位置角。设相开关的导通时刻对应的空间位置角θon 为导通角，相开关的关断时刻对应的空间位置角θoff 为关断角，控制电路合理的调节相开关的导通角或关断角，也就是合理的控制每相绕组电流的通断时刻，是SR 电动机能否正常运行的关键。
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