顧灶根，劉 闖，周 峰

(南京航空航天大學，江蘇南京210016)

0 引 言

開關(guān)磁阻電動機(以下簡稱SRM)主要由開關(guān)磁阻電動機本體、功率變換器、控制器及位置檢測四大部分組成，是一種典型的機電一體化裝置。與傳統(tǒng)電動機相比，它具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性能優(yōu)異、效率高、可靠性好等優(yōu)點。功率變換器作為開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)的重要組成部分，對整個系統(tǒng)的性能起著關(guān)鍵的作用，對其研究一直是一個熱點和難點;功率變換器的成本在系統(tǒng)成本中所占比例較高，并且變換器對系統(tǒng)性能、可靠性的影響較大，因此對其進行研究有利于降低成本、提高系統(tǒng)性能指標以及可靠性。目前對功率變換器的研究主要著眼于降低轉(zhuǎn)矩脈動、高速換相性能、提高效率等。文獻［2］提出了一種四電平變換器來減小轉(zhuǎn)矩脈動的方法;文獻［3］則為提高效率而提出了一種C_Dump變換器方法;文獻［12］為減小徑向力以及提高換向性能而提出了一種三開關(guān)變換器;文獻［11］為實現(xiàn)向繞組電流精確控制，減小高頻下的開關(guān)損耗而提出了軟開關(guān)變換器技術(shù)。隨著人們對產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)注與重視，可靠性研究顯得日益迫切。而以上文獻對SRM功率變換器的研究幾乎都忽略了變換器自身可靠性問題。主電路器件數(shù)量、控制策略復雜程度、高頻開關(guān)產(chǎn)生的EMI都會影響電路可靠性。功率變換器的故障失效直接導致整個系統(tǒng)癱瘓，因此分析變換器對系統(tǒng)性能的影響的同時，其可靠性問題也不容忽視。本文在對常見的功率變換器主電路拓樸分析比較的基礎(chǔ)上，結(jié)合變換器可靠性分析和建模，進行仿真結(jié)果分析。

1 功率變換器的選用原則

一個好的開關(guān)磁阻電動機功率變換器應(yīng)該具備與電機結(jié)構(gòu)匹配、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、效率高、成本低等特點，其結(jié)構(gòu)形式應(yīng)同時具備如下條件:

(1)只需單極性供電;

(2)開關(guān)器件數(shù)量盡量少;

(3)在偶數(shù)相與奇數(shù)相電機中均能適用;

(4)主開關(guān)管電壓額定值與電機接近;

(5)具有較好的換相能力;

(6)繞組電流可通過開關(guān)管的調(diào)制來控制;

(7)續(xù)流時能夠?qū)⑹Ｓ嗄芰炕仞伣o電源。

2 幾種常見功率變換器主電路拓撲

2.1 雙開關(guān)變換器

即不對稱半橋變換器，如圖1所示。每橋臂有兩只主開關(guān)管和兩只續(xù)流二極管。當兩只主開關(guān)管導通時，電源給電機相繞組勵磁;當兩只主開關(guān)管關(guān)斷時，相電流經(jīng)續(xù)流二極管續(xù)流，將磁能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電源。由于全電源電壓反向施加在繞組上，可以強迫續(xù)流相電流很快至零，實現(xiàn)快速、可靠換相。

圖1 不對稱半橋主電路

2.2 公共開關(guān)式變換器

如圖2所示，有一只公共開關(guān)管S在任一相導通時均開通、當S和SA導通時電源向繞組A供電勵磁;當SA導通、S關(guān)斷時，A相電流經(jīng)VD→A→SA續(xù)流;當S導通、SA關(guān)斷時，相電流經(jīng)VDA→S→A 續(xù)流;當 S、SA同時關(guān)斷，繞組通過VD與VDA向電源回饋能量，實現(xiàn)強迫換相。

圖2 公共開關(guān)式

2.3 裂相式變換器

圖3 裂相式

2.4 H橋變換器

如圖4所示，H橋電路是對裂相式電路的改進。相比于圖3的裂相式，少了兩個大電容，減小了變換器體積。但是該變換器任意時刻必須保證上下橋臂各有一相導通，即該變換器僅適用于偶數(shù)相電機。換相相的剩余能量沒有全部回饋給電源，而是將其中的一部分能量注入到導通相繞組中，會引起中點電位的浮動。例如，A相換相到C相時，A相繞組續(xù)流電流直接注入B向繞組，換相能量直接向?qū)ㄏ噢D(zhuǎn)移，引起中點電位浮動(增大)，這加速了關(guān)斷相A相換相過程，但不利于導通相C繞組電流的建立。

圖4 H橋式

2.5 電感儲能式主電路

如圖5所示，每相有兩個同名端反接，雙線并繞，匝比為1∶1的主、副繞組。主開關(guān)管S導通時，電源Us對導通相繞組A勵磁;當其關(guān)斷時，由于磁耦合，繞組A的電流向副繞組B轉(zhuǎn)移，通過二極管向電源迅速回饋電能，實現(xiàn)強迫換相。但是由于漏磁及漏感的原因，在開關(guān)管關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生較高的尖峰電壓，故需針對開關(guān)管設(shè)計緩沖電路。另外，主、副兩個繞組的存在降低了電機槽及銅線的利用率。

圖5 電感儲能式

2.6 電容儲能式變換器

如圖6所示，當某相開關(guān)管關(guān)斷時，儲存在繞組中的能量經(jīng)過續(xù)流二極管暫時儲存到電容C1里。然后適時開通開關(guān)管S，使電容C1向電容C轉(zhuǎn)移電能，實現(xiàn)兩次饋電。

圖6 電容儲能式交換器

2.7 C_Dump 變換器

如圖7所示，C_Dump電路是電容儲能式主電路的改進結(jié)構(gòu)。A相功率管Ta與輔助管Td導通時，電源給A相繞組勵磁，中間電容則通過輔助管向電源端饋能放電;Ta關(guān)斷，Td導通，A相繞組通過Td零電壓續(xù)流;Ta、Td關(guān)斷，A相繞組承受中間電容負壓退磁;系統(tǒng)效率與Td的工作頻率有關(guān)。且該電路為防止Td導通時產(chǎn)生瞬間過電流而引入了電感Ld。

圖7 C_Dump電路

2.8 能耗式主電路

如圖8所示，主開關(guān)管導通時，電源給該相繞組勵磁;當主開關(guān)管關(guān)斷后，電流經(jīng)二極管續(xù)流，流過換相電阻R時產(chǎn)生電壓i·R反加于繞組兩端，從而實現(xiàn)強迫換相。續(xù)流時，能耗式電路沒有將儲存在繞組中的剩余能量回饋給電源，而是將其消耗在電阻R上。該電路元器件數(shù)量少，電路結(jié)構(gòu)、控制都很簡單，且可靠性高。但是由于換相電阻要消耗電能，系統(tǒng)效率不高，而且電阻發(fā)熱集中，需采取散熱措施。

圖8 能耗式電路

2.9 三開關(guān)變換器

圖9 三開關(guān)電路

如圖9所示，當三個主開關(guān)管S1、S2、S3均導通時，電源對繞組勵磁，當 S1、S2、S3同時關(guān)斷時，繞組A1經(jīng)電源負極→D1→A1→D3→電源正極向電源回饋能量，繞組A2經(jīng)電源負極→D2→A2→D4→電源正極向電源回饋能量。若S2導通，S1、S3關(guān)斷，兩個繞組 A1、A2經(jīng)電源負極→D1→A1→A2→D4→電源正極回饋能量;S2關(guān)斷，S1、S3導通時，A1→D3→S1續(xù)流，A2→S3→D2續(xù)流。由此可見，盡管電路器件多，成本高，但其續(xù)流模態(tài)多，控制策略靈活，并且有利于繞組快速換相，適用于高速場合。

表1是上述9種功率變換器的特性比較。

表1 功率變換器特點比較表

3 功率變換器可靠性分析

據(jù)美國海軍電子實驗室統(tǒng)計，整機出現(xiàn)故障的原因和各自的百分比如表2所示。

表2 整機故障統(tǒng)計表

從表2可以看出，方案與拓撲的設(shè)計占據(jù)了整機故障的40%，因此選擇設(shè)計一個好的拓撲，對變換器進行性能與可靠性分析具有實際意義。

3.1 可靠性建模

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力，或者說是產(chǎn)品保持其功能的時間。可靠性綜合反映了一個產(chǎn)品的無故障性、耐久性、有效性和經(jīng)濟性，因此應(yīng)由多種評定指標才能判定其綜合特性?？煽啃钥己酥笜藶榭煽慷萊、可靠壽命T、平均壽命時間tMTTF、平均無故障工作時間tMTBF、失效率等。對于不可修復產(chǎn)品(如控制芯片、小型中間繼電器、電瓷制品、電容器、二極管等)，采用指標tMTBF。它是指產(chǎn)品失效前的平均工作時間，定義:

3.1.1 電容可靠性模型

功率電路中母線電容為電解電容，壽命近似服從指數(shù)分布，其可靠度 Rc(t)=e－λct，失效率:

式中:λb基本失效率，即:

式中:B為形狀參數(shù);S為工作電壓與額定電壓之比;T為工作環(huán)境溫度;H為加速常數(shù);Ns為應(yīng)力常數(shù)。

3.1.2 MOS 管可靠性模型

功率MOS管的壽命近似服從指數(shù)分布，其可靠度 RS(t)=e－λSt。

失效率:

式中:λb為基本失效率;πQ為質(zhì)量系數(shù);πE為環(huán)境系數(shù);πS為電壓應(yīng)力系數(shù);πT為溫度應(yīng)力系數(shù);πC為結(jié)構(gòu)系數(shù)。

式中:A為失效率調(diào)整參數(shù);NT為形狀參數(shù);Tm為最高允許溫度;T為工作環(huán)境溫度;△T為Tm與滿額時最高允許溫度的差值;S為工作電壓應(yīng)力與額定電壓應(yīng)力之比。

3.1.3 續(xù)流二極管D的可靠性模型

續(xù)流二極管可靠性模型服從指數(shù)分布RD(t)=e－λDt，其失效率模型:

式中:λb為基本失效率;πQ為質(zhì)量系數(shù);πE為環(huán)境系數(shù);πS為電壓應(yīng)力系數(shù);πT為溫度應(yīng)力系數(shù);πC為結(jié)構(gòu)系數(shù)。

基本失效率λb模型與MOS管相同。

3.1.4 電源(蓄電池)可靠性模型

蓄電池鎘鎳的壽命近似服從指數(shù)分布:

失效率模型:

式中:λb為基本失效率;πQ為質(zhì)量系數(shù);πE為環(huán)境系數(shù);

3.2 變換器可靠性模型

對于功率變換器橋臂而言，n相橋臂中當有大于或等于K相有效時(例如:三相電機采用不對稱半橋電路時，只要大于等于兩相橋臂正常，系統(tǒng)仍有效)，不影響系統(tǒng)正常工作，而對于電源，母線電容等公共器件如若失效必然導致系統(tǒng)失效，因此功率變換器可靠性模型如圖10所示。

變換器的失效模式主要表現(xiàn)在圖10中各功能模塊或功能器件的失效，變換器的可靠性模型為N相橋臂的K/N模型與電源母線電路，以及其他公共器件的串聯(lián)模型。變換器可靠度(這里假設(shè)繞組可靠性為1，對變換器可靠性分析無影響)如下:

式中:j表示n橋臂中只要有大于等于j個橋臂正常工作時，對系統(tǒng)正常運行影響較小，此時認為系統(tǒng)沒有失效。

4 仿真分析

4.1 仿真模型建立

為了更好地對比分析功率變換器對電機運行性能的影響，設(shè)計了一臺三相12/8結(jié)構(gòu)SRM樣機進行仿真，其輸入電壓48 V(DC)，輸出功率350 W，額定轉(zhuǎn)速 3 600 r/min。在JMAG中建立的電機有限元仿真模型，如圖11所示。

圖11 12/8 SRM有限元模型

通過JMAG有限元場計算軟件對該電機進行電磁仿真，獲得電機的磁鏈曲線族ψ(θ，i)以及電機線圈轉(zhuǎn)矩曲線簇T(θ，i)，如圖12、圖13所示。

圖12 磁鏈曲線簇

圖13 轉(zhuǎn)矩曲線簇

將得到的磁鏈與轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)導入MATLAB中并建立仿真模型如圖14所示，開通角－1.5°，關(guān)斷角17°。

圖14 12/8 SRM仿真模型

4.2 仿真結(jié)果分析

圖15、圖16、圖17分別為相同導通角關(guān)斷角條件下，能耗式、不對稱半橋、公共開關(guān)管式、C_Dump電路作為功率主電路時的SRM系統(tǒng)輸出相電流波形對比圖、輸出相轉(zhuǎn)矩對比圖以及輸出合成轉(zhuǎn)矩對比圖。從圖中可以看出，能耗式、不對稱半橋、C_Dump電路的續(xù)流電流不能迅速下降而存在嚴重的電流拖尾現(xiàn)象，顯然續(xù)流電流如果不能在電感下降區(qū)之前下降到零，會影響換相性能。公共開關(guān)管時主電路續(xù)流電流下降迅速，因此可以通過增大電機導通時間來提高電機出力以及載荷能力;不對稱半橋與C_Dump電路雖然效率高，但轉(zhuǎn)矩脈動比公共開關(guān)管式主電路大。

圖15 輸出相電流對比圖

圖16 輸出相轉(zhuǎn)矩對比圖

圖18為相同條件下(環(huán)境溫度50℃)，假設(shè)電機繞組可靠度為1時，不同功率變換器的可靠度仿真對比圖?？梢钥闯觯芎氖诫娐酚捎诮Y(jié)構(gòu)簡單，器件數(shù)量少，可靠度最高，因此該變換器非常適合于低效率小功率場合。三開關(guān)由于器件多，電路結(jié)構(gòu)較復雜而使得其可靠性較低;公共開關(guān)管式主電路則由于公共開關(guān)管與公共續(xù)流二極管的串聯(lián)模型導致其可靠性較低。

圖17 合成轉(zhuǎn)矩對比圖

圖18 可靠度對比圖

5 結(jié) 語

近幾十年來出現(xiàn)了很多開關(guān)磁阻電動機功率變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，在不同條件下它們各有優(yōu)缺點，需要對這些變換器進行對比分析，綜合考慮功率變換器拓撲的選擇原則，以發(fā)揮其最大的效用。功率變換器可靠性模型可以在一定程度上反映系統(tǒng)的可靠性，能夠為可靠性考核以及變換器的選取提供依據(jù)。在保證系統(tǒng)性能要求的前提下，可以通過優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)、選用可靠性更高的元器件、減少器件數(shù)量等方法可以提高系統(tǒng)可靠性。本文在三相12/8結(jié)構(gòu)SRM基礎(chǔ)上，利用MATLAB/Simulink對幾種常見變換器在相同條件下的電機運行性能、變換器可靠性等進行仿真對比分析后，相比于其他功率變換器，認為不對稱半橋電路具有一定的優(yōu)勢。

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