无刷直流电机电容储能型变换器的参数设计0真空容器

无刷直流电机电容储能型变换器的参数设计

无刷直流电机电容储能型变换器的参数设计 2011年12月09日 来源： 中图分类号：TM301.2；TP276　　　文献标识码：A文章编号：0258-8013 (2000) 04-0072-06DESIGN ON THE C-DUMP CONVERTERUSED IN BRUSHLESS DC MOTORSZHOU Bo， FU Ying， MU Xin-hua， YAN Yang-guang(Key Laboratory of Aeronautical Power System, NUAA Nanjing 210016，China)ABSTRACT：The c-dump converter is a new converter topology developed recently for brushless DC motors. The equivalent circuit model is developed and the control characteristics of the brushless DC motor based on the c-dump converter are studied in this paper. Then, guidelines for the design of the converter are given and some related formulas are derived for the choices of its important parameters. Finally, experimental results from a laboratory prototype are presented to validate the feasibility of the proposed guidelines for the design of c-dump converters.KEY WORDS：brushless electrical machines； converter； PWM； c-dump converter1　引言　　永磁无刷直流电机因其无机械电刷与换向器，可靠性高；体积小，重量轻；且控制较简单，效率高，而广泛应用于航空航天等对动静态性能有较高要求的场合。传统的无刷直流电机调速系统中，变换器多采用桥式拓扑，包括半波和全波电路(H桥)。半波电路比全波电路使用的功率器件数目少(每相只有一个功率开关)，但电机只能在两象限运行，限制了应用场合。全波电路使用较多的功率开关(每相有两个功率开关)解决了四象限运行的问题，但它存在桥臂直通的可能性使之可靠性降低。折衷这两种电路，出现了电容储能型(c-dump)变换器［1］。它以n＋1个功率开关实现了n相电机的四象限运行。由于使用了较少的功率开关且不存在桥臂直通的可能性，它在可靠性和经济性上有相应的优势，因此是无刷直流电机调速系统的一个好的选择。本文首先建立了这种变换器的等效电路模型，在此基础上对由这种变换器供电的无刷直流电机的控制特性进行了分析，详细讨论了变换器主要参数的选取，并推导出了计算公式。然后，以实验室一台永磁无刷直流电机作为设计实例，说明了变换器主要参数的选择过程并简要分析了对系统的影响，最后给出了实验结果。2　主电路拓扑、模型及控制特性　　图1(a)中A、B、C为电机相绕组，它们分别串联一个主开关Ta、Tb、Tc(下面统一用Ts表示)，并通过二极管与储能电容C0连接；斩波开关Tr和二极管Dr构成buck电路使C0上的能量回馈到电源端。假设电机三相绕组对称，相反电势为波顶宽120°电角度的梯形波，三相主开关管轮流工作120°，采用脉宽调制(PWM)方式，则开关过程主电路的等效模型可用图1(b)表示。图中kc为Ts开关状态变量，ke为电机运行状态变量，反电势与储能电容用等效电压源表示。电动时，ke＝＋1，反电势极性如图所示，每相主开关在相应相反电势为正梯形波波顶时开通。当Ts开通时，kc＝0，电源给相绕组提供能量，相电流上升；当Ts关断时，kc＝1，相绕组电流经与本相绕组连接的二极管续流，给C0充电。C0在主开关关断时增加的能量应在Tr开通期间经buck电路回馈到电源端。C0端电压可通过控制Tr(采用两态调制方式)使其维持在一定值E。图1　用于无刷直流电机的电容储能型变换器拓扑结构Fig.1　The topology of the capacitor energy storageconverter for the brushless DC motor　　由于变换器每相仅有一个开关，相电流只能单向流通，为得到制动转矩，需在反电势负梯形波波顶时开通相应相主开关，即ke＝－1，这时反电势极性与图1(b)相反。与电动工作时相同，主开关仍以PWM方式工作，C0端电压仍通过控制Tr使其维持在一定值E。主开关开通时，kc＝0，电机动能转变为相绕组电能，相电流上升；关断时，kc＝1，相绕组电流经二极管续流，给C0充电。　　电动时，电机相绕组电压us为　　　　　　　　　　　　　　　　(1)式中　Vdc为变换器直流母线电压；E为储能电容电压；Rs为相绕组电阻；Ls为相绕组电感；e为反电势幅值；is为相电流。　　若变换器开关周期为T，主开关占空比为D，则电机相绕组电压平均值Us为　　　　　　　　　　　　　　(2)

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