1 引言
開關磁阻電機驅動系統是八十年代出現的一種機電一體化裝置，它由開關磁阻電機、功率變換器、控制器和位置檢測器組成[1]。開關磁阻電機結構簡單、堅固、制造工藝簡單，成本低，可工作于極高轉速，同時隨著電力電子器件、mcu和dsp的快速發展，功率變換器和控制器也得到了發展，使得srd成為了一種很有前景的驅動系統。
srd系統是典型的機電一體化系統，其功率變換器與控制器更是不可分離。在整個系統中，功率變換器中成本的比重很大，而且srm由直流電壓供電，繞組電流為單極性，電流波形受系統運行條件及電機設計參數的制約，很難準確預料，這些都使得功率變換器的設計以及開關器件的選擇極為重要而又復雜。
本文先對現有的功率變換器進行簡單的分類，然后分別介紹了各類功率變換器中的各種拓撲結構，最后對所有的拓撲結構進行了比較。
2 功率變換器的分類及設計要求
現有文獻的開關磁阻電機功率變換器主電路拓撲結構有很多種，這些結構的區別在于去磁方式(即每個導通區間儲存在每相繞組的能量是如何恢復的)的差異。據此，現有的功率變換器拓撲結構可以分成以下三類:半橋型、額外換相電路型、自換相電路型，如圖1所示。
圖1 開關磁阻電機功率變換器分類
開關磁阻電機的轉矩與電流的方向無關[1]，對于給其供電的功率變換器僅需提供單極性的電流即可，因此，每相工作僅需一個開關器件，和同相數其他調速系統相比，逆變器所需總開關器件少，同時開關磁阻電機的繞組與開關器件串聯，不會出現直接短路故障，可靠性好。一般說來，理想的srm功率變換器應滿足如下要求[2][3]:
·最少數量的開關器件;
·既適用于偶數相的sr電機，亦適用于奇數相的sr電機;
·可將全部電源電壓加給電機的繞組;
·主開關器件的電壓額定值與電機接近;
·具備迅速增加相繞組電流的能力;
·可通過主開關器件調制，有效地控制相電流;
·在繞組磁鏈減少的同時，能將能量回饋給電源。
3 各類功率變換器主電路拓撲
3.1半橋型
半橋型功率變換器控制方式靈活，有很多種改進形式，但總的來說需要元件數量較多，成本較高。
開關磁阻電機的功率變換器中，最靈活、應用最廣泛的就是圖2(a)所示的不對稱橋式變換器[3]。每一相需要兩個開關管t1、t2和兩個二極管dl、d2。當t1、t2同時閉合時，相繞組ph1充電;t1、t2同時打開后，ph1通過dl、d2續流回饋能量。正是由于能量可以回饋，因此這種變換器效率很高。而且如果出現兩相同時工作的情況，由于是各相獨立的結構，因而互不影響。但是所需元件數量多，因此成本較高，主要應用在高電壓大功率而且相數較少的場合。
為了保持不對稱橋式變換器的優良性能，又盡量減少元件，進而出現了不少改進的拓撲結構。如圖2(b)中，兩相除了每相開關t1、t2，還公用了開關t3、t4，減少了開關個數，但是在每相回路中存在三個開關管，這樣增加了損耗，也降低了電壓利用率[4]。圖2(c)中改進了這一問題[5]，如ph1相導通時，充電回路中僅含t1、t2兩個開關管;而續流時，回路通過dl、d3兩個二極管，兩相共用器件t1、d3。
圖2 半橋型功率變換器
3.2 額外換相電路型
(1) 電容儲能型
在此模式下，當主開關打開時，儲存在繞組中的能量暫時儲存到電容里，然后回饋給直流電源或是在下一相開通時給其供電。這樣使得開通和關斷時間都縮短，于是降低了開關損耗、提高效率，這尤其是在高速運行的時候表現明顯。
圖3(a)為分裂式直流電源功率變換器，當開關t1開通時，電容c1給ph1供電，t1關斷時，ph1通過續流二極管給電容c2充電，將繞組能量轉換為電容儲能。
圖3 電容儲能型變換器(i)
圖3(b)是在不對稱半橋的基礎上加了電容cb1，讓cb1儲能，這樣可以提高下一相開通時電流上升的速度。圖3(c)是圖3(b)的的改進，cb2比cb1上的電壓要低得多，因此可以選擇較廉價的電容。
圖3(d)中，有ph1、ph2兩相。以ph1相為例說明，當t1打開后，ph1通過d3給c2充電，實現能量儲存，當下一相ph2通電時，閉合t2和ta2，這時兩個回路同時給ph2充電，加速了開通速度。
圖4 電容儲能型變換器(ⅱ)
圖4(a)、(b)中所示為所謂的c-dump轉換器[6]。它是利用一個串聯(圖4(a))或并聯的電容(圖4(b))，通過一個由cb、ta、da和la組成的buck(降壓)dc-dc變換器，將能量回饋到直流母線上。cb為附加儲能電容，這種變換器有些文獻中也將其稱為含有dc－dc電路的變換器。用這樣的方式來將能量從附加電容cb傳到下一個繞組中，可以保證電容不論放電或是過充電，關閉電壓可以得到精確控制。不足之處在于元件數量增多，控制難度較大，而且器件的設計要求達到dc-dc變換器的高頻(幾十khz以上)，而僅在電機繞組開通或關斷時工作，造成一定的浪費。
(2) 電感儲能型
如圖5所示，電感儲能式的變換器在一相中有兩個繞組ph1a、ph1b相互耦合，輔助繞組ph1b的作用是將儲存在磁芯中的能量回饋到直流側中，每相僅需要一個開關器件，但輔助繞組不可能做到完全交鏈，因此需要額外緩沖電路，而且制作電機比較復雜(需要特制繞組)，輔助繞組的加入也加大了繞線體積，降低了單位體積銅的效用。
圖5 電感存儲型變換器
圖6 耗能型功率變換器
(3) 能量消耗型
對儲存在繞組中的剩余能量不是回饋，而是將其消耗掉。這樣做的好處是減少了元件數量，使得結構和控制都變得簡單。但是這樣降低了效率，而且耗能電阻的發熱要注意處理。此方法多應用在對效率要求不高而又強調成本低廉的小功率場合。圖6(a)應用一個簡單的電阻r來吸收ph中的剩余能量，圖6(b)則將ph中的能量消耗在穩壓管dl上[7]。容易計算出消耗能量所需要的時間，如果需要電流快速減少，則電阻發熱會比較集中，散熱處理比較困難。
3.3 自換相電路型
應用諧振的原理，從而實現自動換相的功能。這樣實際上也實現了軟開關的功能，而且對諧振變換器應用的研究也方興未艾，這種形式的變換器很有前途。
圖7 自換相電路型功率變換器
圖7(a)中所示電路與前面的有所不同的是它實際上應用的電源是一個等效的電流源，這使得換相時兩相電流之和恒定為io。換相的過程可分為兩個階段，以其中一次換相為例說明:開關t1打開、t2閉合的瞬間，ph1中電流不變(io);隨后，ph1中電流逐步減少，直到ph2中電流達到io，換相結束。c1、c2和c3組成一個三角形電容網絡，與相繞組組成諧振電路。
圖7(b)是“h”橋電路[3]，該電路比四相電容分壓時變換器少兩只串聯的分壓電容，換相時時剩余的磁能以電能形式一部分回饋電源，另一部分注入導通相繞組，引起中點電位有較大浮動。另外，該電路要求每一瞬間必須有上、下各一相導通。
圖7(c)中所示電路能量回饋經過多次諧振[8]。t1斷開后，ph1給cb諧振充電，之后ta合上，與lb諧振，dr2阻止反充電，lb最終通過drl將能量返回電源vs。
4 各類功率變換器的比較
附表是各類功率變換器的比較表，其中m為相數，vs為直流母線電壓，vt為開關管導通壓降。表中對三種類型的功率變換器下的各種功率拓撲結構所需要的開關器件的數目、二極管的數目、適用相數、電源電壓利用率、是否有能量回饋、能否迅速增加開通電流做了比較。
5 結束語
開關磁阻電機驅動系統功率變換器主電路有很多種拓撲結構，每一種拓撲都有優缺點，也就注定了每一種拓撲有其適用的范圍，在拓撲的選擇原則上要綜合考慮，以發揮其最大效用。 近年來，電力電子器件有了長足的發展，這也為我們的選擇提供了很大的余地，我們應該根據各種開關器件的性能以及主電路拓撲的機構選擇即經濟又適用的器件。
參考文獻
[1] 詹瓊華. 開關磁阻電動機[m]. 武漢:華中理工大學出版社,1992.
[2] 張全柱,郝榮泰,鄧新華. 開關磁阻電機的幾種功率變換器拓撲的性能分析[j]. 電氣傳動自動化, 1995,17(4):50-54.
[3] 王宏華. 開關型磁阻電動機調速控制技術[m]. 北京:機械工業出版社,1995.
[4] a .ometto，a julian，and t.a. a novel low cost variable reluctance motor drive[j]. int. conf. electric machines rec,vol. l ,pp 77-79,1994.
[5] c. pollock and b. w. willianms .power converter circuits for switched reluctance motor with the minimum number of switches[j]. proc. inst. elect. eng. vol. 137,no.6,pp373-384,1990
[6] hava a. m., blasko v., lipo t.a. a modified c-dump converter for variable reluctance machines[j]. industry applications，ieee transbbbbbb ，volume:28, issue:5，sep/oct 1992 pp:1017-1022.
[7] hoang le-huy , phlippe viarouge，bruno francoeur. unipolar converters for switched reluctance motor[j]. ieee ,1989.
[8] cheng j,yoshida m,marai y. analysis and application of a part resonant circuit for switched reluctance motor[j]. the 25th annual conference of the ieee,volume:3, pp:1115-1120,1999.
：鞏經理
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：南京塞姆泵業有限公司
