开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor, SRM)因其定转子均没有永磁体、转子上没有绕组,仅由硅钢片叠压,结构简单坚固;此外,增加SRM相数能增加转矩密度、减小转矩脉动和增强容错性能,因此多相SRM在高速运行场合和极端环境下的应用展现出特别的优势,作为船舶、电动车辆、风机和航空航天的驱动系统得到广泛应用。
在多相开关磁阻电机驱动系统中,常用的不对称半桥功率变换器中功率开关器件较多,大大制约了系统的性价比提升;为减少功率开关器件数量、降低系统成本,多种改进型功率变换器拓扑被提出,如C-dump式、裂相式、公共开关式、双绕组式、电阻耗能式等。
与不对称半桥变换器各相控制独立、开通角和关断角可调节范围大、且易于改变控制参数等特点相比,改进型功率变换器拓扑主要存在相间耦合、控制参数受限、系统性能下降等缺点。为此国内外学者针对改进型功率变换器拓扑提高系统性能的控制策略展开了相关研究。
本文研究的n+1共上管功率变换器拓扑最早在相关研究中提出,并描述了各开关管的通断逻辑。共上管功率变换器四相拓扑结构如图1所示,图中两相绕组与三个开关管连接,共上管同时连接两相绕组的一端,绕组另一端分别与一个下开关管连接。与不对称半桥变换器相比,每两相减少一个开关管和一个二极管,继承了不对称半桥主电路相间隔离的优越性,但是由于公共上管的存在,给绕组的安全退磁带来难度。
有学者在共上管功率变换器拓扑基础上通过增加升压电路加快相绕组的励磁和退磁,提升电机输出转矩和系统效率,同时也增加了主电路复杂性。有学者针对共上管变换器,仅检测母线电流并通过相电流重构技术实现各相电流检测,进一步降低了系统成本。
图1 四相2(n+1)共上管功率变换器拓扑
现有文献并未重点讨论控制参数对共上管变换器的性能影响。本文首先分析该变换器的工作模态;为确保系统在宽转速范围内高效可靠的运行,推导基于安全退磁的控制角度的约束条件,并通过分析控制角度参数综合优化系统出力和效率;最后研制一台350W宽转速范围的高速8/6结构四相开关磁阻实验样机,搭建实验平台,通过仿真与实验结果验证了所提控制策略的正确性。
图16 开关磁阻电机实验平台实物图
本文提出了开关磁阻电机共上管功率变换器的宽转速安全退磁控制策略研究,对使用该拓扑的偶数相SR电机控制参数选取都具有参考意义。首先根据变换器的工作模态,分析了导通宽度对安全退磁的影响;然后,基于分段线性电感模型,推导了在不同工作模式下安全退磁的导通宽度条件;最后通过仿真进一步对控制角度进行优化,并通过实验验证了本文所提出的方法的可靠性。得到结论如下: