摘要：本文提出一种新型五电平开关磁阻电机电源变换器的拓扑结构，该变换器能够减少功率器件的开关次数，降低器件的损耗，提高系统的效率。实验结果表明该变换器具有很高的实用性，从而使开关磁阻电机控制系统能够在大功率场合得以应用。
关键词：开关磁阻电机 电源变换器 五电平 SRM

　　1 引言
　　开关磁阻电机驱动系统（ Switched Reluctance Drive,SRD）是上世纪八十年代出现的一种调速系统，它由开关磁阻电机、 电源变换器、控制器和位置检测器组成。电源变换器是驱动SRM的电路装置，为其提供电能。在SRM发展的几十年中，电源变换器的研究一直是热点和难点，它对整个系统的性能起着关键的作用，但是由于电源变换器的功率器件本身容量的限制，对于一些大功率应用场合，传统的变换器很难满足系统的要求。本文提出一种新型大功率五电平SRM电源变换器拓扑结构。与传统变换器相比，该拓扑结构能够将SRM应用于一些大功率场合。
　　2 SRM电源变换器拓扑结构
    目前常见的电源变换器拓扑结构有：H桥型、公共开关型、电机双绕型、不对称半桥式、直流电源分裂式、（N+1）开关树型、电容裂相型等等。这些电路都各有优缺点和适用场合，但从使用效果来说最常用的是不对称半桥结构，如图1所示。
 
　　图1 不对称半桥式电源变换器
　　不对称半桥电路具有以下特点：
　　1、各主开关器件的电压额定值为U。由于主开关器件的电压定额与电动机绕组的电压额定近似相等，所以该电路用足了主开关器件的额定电压，有效的全部电源电压可以用来控制相绕组电流。
　　2、由于每相绕组接至各自的不对称半桥，在线路上彼此是完全独立的，故这种结构对绕组相数没有任何的限制。
　　3、每相需要两个主开关器件，电动机绕组与开关器件串联，不存在上、下桥臂直通的隐患。
　　由于开关器件本身容量的限制，这种拓扑在一些大功率场合还是不能满足要求的。在保留这种拓扑结构优点的基础上，本文提出一种新型大功率五电平SRM电源变换器，如图2所示。与传统的不对称半桥结构相比，该拓扑在每相多了两个主开关器件和四个二极管。为了增加系统的电平数，在直流侧取一电源中性点O。图2中U1=U2=U。
 
　　图2 五电平电源变换器主电路拓扑结构
　　与传统的开关磁阻电机的电源变换器相比，五电平变换器有以下优点：
　　1、 每一相的上下半桥用两个管子串联，在相同电机容量下，本拓扑结构器件的容量只有传统变换器器件容量的一半，减少了系统成本。
　　2、 采用五电平变换器拓扑结构，可以减少器件的开关次数，降低系统的损耗，提高系统的效率。
　　3、 五电平变换器的开关器件承受的电压为直流电压一半，所以在同等器件容量的情况下，可以将开关磁阻电机控制系统应用到更大功率场合。
　　通过分析可知，对于每一相绕组通电时该变换器具有5种电压状态，以A相为例：
　　状态2：主开关器件Sa1，Sa2，Sa3，Sa4导通，绕组电流如图3(a)中ia所示，此时绕组承受的电压为2U。
　　状态1：主开关器件Sa1，Sa2，Sa3导通，绕组电流如图3(b)中ia所示，此时绕组承受的电压为U。
　　状态0：主开关器件Sa3，Sa4导通，绕组电流如图3(c)中ia所示，此时绕组承受的电压为0。
   状态-1：主开关器件Sa2导通，二极管Da1，D1，绕组电流如图3(d)中ia所示，此时绕组承受的电压为-U。
   状态-2：二极管Da1，Da2，D1，D2，绕组电流如图3(e)中ia所示，此时绕组承受的电压为-2U。
　　图3 五电平电源变换器主电路的相开关状态
　　3 五电平SRM电源变换器性能仿真
　　在CCC控制方式下，采用五电平电源变换器对SRM调速系统进行了仿真，如图4。
　　图4 五电平电源变换器的CCC控制方式
　　系统空载启动，进入稳态后，在t=0.12s时突加负载TL=50N.m，得到电机磁链、电流、转矩、转速曲线如图5所示。
 
　　图5 开关磁阻电机磁链、电流、转矩、转速波形
　　仿真结果表明，启动阶段参考电流的限幅作用很有效，因而没有造成电流和转矩的冲击。在t=0.12s时突加负载，转速发生很小的速降，然后迅速恢复平衡状态。而且电机的转矩脉动很小。
　　图6为传统电源变换器与五电平电源变换器开关次数仿真结果，从图上可以看出五电平电源变换器拓扑可以大大减少器件的开关次数，降低开关损耗。
 
　　图6 五电平拓扑结构与不对称半桥结构开关次数的比较
　　4 结语
　　实验结果表明新型大功率变换器拓扑可以减少功率器件的开关次数，降低器件的损耗，提高系统的效率。与传统电源变换器相比，在相同电机容量下，本拓扑结构器件的容量只有传统变换器器件容量的一半，减少了系统成本。在同等器件容量的情况下，可以将开关磁阻电机控制系统应用到更大功率场合。
参考文献:
[1] 陈  昊,开关磁阻调速电动机的原理设计应用[M].徐州：中国矿业大学出版社2000
[2] 詹琼华,开关磁阻电动机[M].武汉：华中理工大学出版社1992