宏微UZA、UZK系列IGBT模块在开关磁阻电机控制中的应用

前言：

随着原材料成本的增长，成本低廉制造简单的开关磁阻电机因其可以实现高速同步运转，以较高的性价比逐步应用于家用电器，工业伺服与调速系统，牵引系统，高转速电机等领域。功率可大于10KW，转速上限100000r/min.虽然与普通电机应用上有差异，但其关键功率器件IGBT还是使用通用的器件。宏微专门针对开关磁阻电机推出了UZA/UZK系列IGBT,同时推出应用案例，以适应市场需要。

开关磁阻电机结构与特点：

开关磁阻电机（SwitchedReluctanceMotor),即SRM。主要由定子和转子组成，定子和转子均为凸极结构，定子和转子的齿数不等，转子齿数一般比定子少两个，定子齿上套有集中线圈，两个空间位置相对的定子齿线圈相串联，形成一相绕组。转子由铁心叠片而成，其上无绕组。开关磁阻电机的工作机理是基于磁通总是沿磁导最大的路径闭合的原理。当定、转子齿中心线不重合、磁导不为最大时，磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，使转子转到磁导最大的位置。当向定子各相绕组中依次通入电流时，电机转子将一步一步地沿着通电相序相反的方向转动。如果改变定子各相的通电次序，电机将反相运转。但相电流通流方向的改变是不会影响转子的转向的。开关磁阻电机有如下特点：

(1)开关磁阻电机转子上没有绕组，定子线圈的端部又很短，制造方便，发热量小，电机利用系数是异步电机的1.4倍，电机制造成本大为降低。

(2)转动惯量小，具有较高的转矩/惯量比，特别适合于高速运行。

(3)每相绕组中通入的可以是单方向的电流(脉冲)，功率开关元件数量少，可以避免桥臂直通。

但就目前的发展水平而言，SR电机仍存在一些缺点:

(1)由于是磁阻式电动机，其能量转换密度低于电磁式电动机；

(2)转矩脉动较大，通常为士15％，功率开关元件关断时在电机定子绕组端部及开关器件上产生较高的电压尖峰。

(3)需要位置检测传感器，增加了系统的复杂性和成本。

开关磁阻电机转速n(r/min)计算公式如下：（f：相绕组电压的开关频率Nr：转子齿数）

磁阻电机结构示意图

开关磁阻电机控制系统(SRD)：

SRD是磁阻电动机和电力电子技术相结合而产生的一种机电一体化的装置。主开关器件IGBT是SRD关键部件，高性能的DSP是SRD控制的核心，同时需要准确的位置传感器及良好的控制系统的软硬件设计。其基本结构如下图：

SRD结构示意图

相比于其他电机驱动系统，SRD系统具功率电路简单可靠、系统可靠性高、起动转矩高、启动电流小等特点：同时由于SR电机为双凸极结构，不可避免地存在转矩脉动。但是采用合适的控制技术，SRD的噪声完全可以控制在合理的噪声水平。

SRD功率变换器：

从SRD结构图可知，功率变换器是SRD的功率主回路，承担大电流、高电压、电压尖峰、谐波干扰等风险。其器件的可靠性尤为重要。江苏宏微科技结合SRD不同的主电路设计了UZA/UZK系列IGBT，电流Ic：50～600A,电压Vces：600～1200V。拓扑图如下：

UZA /UZK系列IGBT可以组合为SRD如下的功率变换主电路

结合电路分析可知，上述的主电路主要特点为：

1.电源分裂转换器电路简单，适用于4相电机,但电源电压为电机相电压的二倍，开关元件的电压定额成倍提高，控制方法过于简单。

2.C-dump转换器只增加了一个斩波器用功率开关和一个电容，电路也比较简单，同时提高了能量利用率。

3.不对称桥式转换器功率开关和二极管承受的反压均为电机相电压Us，耐压要求比较低，开关元件数目多但能实现分步关断，控制方法灵活，有利于电机噪声的控制和降低器件故障率。以常用的不对称桥式转换器为例，其开关状态如下图示，上下臂开通时电流经上下IGBT和电机线圈，此时转子转到磁导最大的位置。上臂关断时电机线圈通过下臂IGBT和D1d续流。上下臂关断时电机线圈通过D1u和D1d续流。

结合功率转换主电路，我们推荐如下控制电路：

SRD驱动和控制电路

结论：

1.使用江苏宏微科技UZA/UZK系列IGBT可以很方便构建SRD不同的主电路，其电流和电压范围也涵盖了目前开关磁阻电机的主要应用方向。

2.江苏宏微科技UZA/UZK系列IGBT主要采用英飞凌芯片封装，已经在新能源汽车、纺织机械等领域使用，如结合推荐的驱动电路进行应用开发将更理想。

3.由于篇幅限制，实际的控制要更复杂些，如机械振动的减弱，自感电流的处理，转子位置传感器与IGBT开关时序的配合等。

4.具体的应用领域可以选择不同的功率转换电路，同时采用不同的控制方法如电压控制、电流控制等。