用于开关磁阻电机驱动系统的I字型三电平逆变器

 

      用于开关磁阻电机驱动系统的I字型三电平逆变器,   中山东升出租路灯车, 中山东升租赁路灯车, 中山东升路灯车  驱动开关磁阻电机的三电平逆变器拓扑结构图, 三电平逆变器驱动开关磁阻电机拓扑,   SRMbyNPC多电平对于电机驱动好处不言而喻，可以大大增大控制自由度，平滑转矩输出，减小开关管耐压值，便于选型等。而随着电力电子技术的快速发展，三电平逆变器因为其技术成熟、可靠稳定，市场认可度高，所以现在越来越受欢迎。本文提出一种将I字型三电平逆变器(NPC)，用于驱动开关磁阻电机。这种驱动开关磁阻电机的I字型三电平逆变器，其实与其他领域，如光伏等所用的I字型三电平逆变器其实类似，都是两个直流母线电容，三个桥臂，每个桥臂都额外有两个二极管。而每个桥臂都是由四个功率开关组成。而开关磁阻电机每一相相绕组的一端连接桥臂中心点，另一端连接相邻桥臂的中心点。  在实际工程应用中，非对称桥式功率变换器采用的并不一定是非对称半桥结构。如果一个桥臂采用单管功率模块和一个功率二极管相比于双管功率模块，在实际应用中成本、体积以及可靠性等并无太多优势。所以实际应用中，一个桥臂多是采用双管功率模块。而且双管功率模块也大大增加功率变换器的容错能力。在这种应用拓扑结构下，与三电平逆变器相比器件对比。 基于三电平全桥这种驱动结构实现了五电平，大大提升控制自由度，有效的减小了开关损耗和转矩纹波，进而提高了系统的效率。另外，也显著的减小了开关管及二极管所承受的最高电压，降低了开关管和二极管的选择难度，进而减少了系统的成本，同时也提高了变换器在运行中的安全性和可靠性。缺点是开关管以及二极管数量大大增多，成本会有所增长，但是随着硬件结构的模块化，这一块也会逐渐得到优化。

      控制方式以及仿真分析I字型三电平逆变器驱动开关磁阻电机控制方式采用的是直接转矩控制(DITC)。直接转矩控制的控制框图。需要给定参考转矩，然后通过将给定的参考转矩与实际计算得到的瞬时转矩做比较，然后通过滞环比较器，还有角度位置判断模块得到各路开关管信号，进而驱动电机，其具体控制方式以及步骤如下所示：

     步骤1，通过位置传感器采样获得开关磁阻电机转子角度，由电流传感器获得相电流；

     步骤2，利用步骤1中得到的转子角度和相电流，从静态转矩特性得到瞬时转矩T，将给定的参考转矩Tref、与瞬时转矩T相比较得到当前时刻转矩误差ΔTe；

      步骤3，先记录前一时刻转矩误差并记为ΔTeb；然后将当前时刻转矩误差ΔTe与前一时刻转矩误差ΔTeb做对比，如果当前时刻转矩误差ΔTe大于前一时刻转矩误差ΔTeb，则当前时刻转矩误差ΔTe的斜率R大于零，记为R>0，如果当前时刻转矩误差ΔTe小于或者等于前一时刻转矩误差ΔTeb，则当前时刻转矩误差ΔTe的斜率R小于或者等于零，记为R≤0；

      步骤4，由步骤2中得到的当前时刻转矩误差ΔTe和步骤3中得到当前时刻转矩误差ΔTe的斜率R，得到标记信号S；步骤4.1，设定转矩误差的四个极限值，包括第一设定上限ΔT1、第二设定上限ΔT2、第一设定下限-ΔT1和第二设定下限为-ΔT2，其中，ΔT1和ΔT2都大于零，且ΔT1的绝对值小于ΔT2的绝对值；步骤4.2，根据当前时刻转矩误差ΔTe和当前时刻转矩误差ΔTe的斜率R，得到标记信号S：如果R>0，且ΔTe≥ΔT2，标记信号S=2;如果R>0，且ΔT2>ΔTe≥ΔT1，标记信号S=1;如果R>0，且ΔT1>ΔTe≥0，标记信号S=0;如果R>0，且0>ΔTe≥-ΔT1，标记信号S=-1;如果R>0，且ΔTe<-ΔT1，标记信号S=-2;如果R≤0，且ΔTe≥ΔT1，标记信号S=2;如果R≤0，且ΔT1>ΔTe≥0，标记信号S=1;如果R≤0，且0>ΔTe≥-ΔT1，标记信号S=0;如果R≤0，且-ΔT2≤ΔTe<-ΔT1，标记信号S=-1;如果R≤0，且ΔTe<-ΔT2，标记信号S=-2;具体转矩滞环判定图。

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     步骤5，将步骤1中得到的转子角度送入转子位置判定模块，转子位置判定模块根据开关磁阻电机第i相定子绕组对应的转子位置角θ的位置，判断开关磁阻电机第i相定子绕组工作区间，当转子位置角θ在前相的关断角和后相的开通角之间，为单相导通区间，当转子位置角θ不在前相的关断角和后相的开通角之间，为两相重叠导通区间，其中所述开关磁阻电机第i相定子绕组包括开关磁阻电机A相定子绕组、B相定子绕组和C相定子绕组，A、B、C三相轮流循环导通；

     步骤6，将步骤4中得到的标记信号S及步骤5得到的转子位置判定模块输出的定子绕组工作区间送入开关管选择器，开关管选择器依据标记信号S、定子绕组工作区间得到三个桥臂的12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的可选开关状态，从而对变换器各桥臂开关管的导通与断开状态进行判断，从而控制变换器。

    另外，所述三个桥臂的12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的可选开关状态如下，其中0表示关断，1表示导通：假设三电平逆变器总输入电压为Vs，则三相电压共有±Vs、±Vs/2、0五种电平，用An标记A相电压状态。A2表示A相相电压为Vs，A-2表示A相相电压为-Vs，A1表示A相相电压为Vs/2，A0表示A相相电压为0，A-1表示相电压为-Vs/2。又因为有两个直流母线电容，两桥臂中点电平不同，但相电压都为0的状态有三种，用A0x、A0y、A0z表示三种不同状态，A1x、A1y、A-1x、A-1y同理。两相交叠时，用A2B-2表示A相电压为Vs，B相电压为-Vs，其余类似。单相导通时，以A相为例，有A2、A-2、A0x、A0y、A0z、A1x、A1y、A-1x、A-1y这9种可控模式供选择。两相重合时，以A、B两相为例，有A0xB0x、A0xB1x、A0xB2、A1xB-1x、A1xB0y、A1xB1y、A2B-2、A2B-1y、A2B0z、A-1xB0x、A-1xB1x、A-1xB2、A0yB-1x、A0yB0y、A0yB1y、A1yB-2、A1yB-1y、A1yB0z、A-2B0x、A-2B1x、A-2B2、A-1yB-1x、A-1yB0y、A-1yB1y、A0zB-2、A0zB-1y、A0zB0z共27种可控模式供选择，实际应用中根据控制目标以及控制方法等需要，在这27种状态中选择最优方法。用I字型三电平逆变器驱动开关磁阻电机，采用上述所述直接转矩控制方式下，搭建仿真模型，仿真得到三相电流波形，三相转矩波形，三相输出总转矩波形。

     开关磁阻电机驱动功率变换器实际需求，得出理想功率变换器。进而分析了最传统的、应用最广泛的非对称桥式功率变换器，列出了其优缺点。又分析了近两年国内外提出的三种最新的功率变换器，指出其各自优缺点。设计了一种带开关电容的新型功率变换器，详细分析这种带开关电容的新型功率变换器的几种运行模式，并搭建仿真模型。在500rpm、2500rpm两个速度点，将这种带开关电容的新型功率变换器与传统非对称桥式变换器做对比，比较并验证了这种带开关电容的新型多电平功率变换器的优点。最后介绍了采用I字型三电平逆变器驱动开关磁阻电机的方案。I字型三电平逆变器相比于传统非对称桥式变换器，虽然采用了更多的功率器件，但是能够大大增加控制自由度，从而降低转矩纹波，且其技术成熟，市场认可度高。本文对其驱动开关磁阻电机的控制方式进行了详细介绍，并搭建了仿真模型，得到了一定的仿真验证结果。

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