同步電機(jī)之關(guān)于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)主電路形式和工作方式

9 . 1 . 1逆變主電路及與電樞繞組的幾種典型接法

逆變主電路是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一部分，主要由功率MOSFET 、 IGBT或智能功率模塊（IPM）等全控型電子功率開關(guān)組成，通過控制功率開關(guān)開通和關(guān)斷，將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，向電?dòng)機(jī)電樞繞組供電。逆變主電路有橋式和非橋式兩種，電動(dòng)機(jī)電樞繞組又可接成星形或三角形，因此電樞繞組與逆變主電路的連接可以有多種不同組合，圖9一1給出了幾種常見的連接方式。其中圖a和圖b是非橋式主電路，電樞繞組只允許單方向通電；其余為橋式電路，電樞繞組允許雙向通電。

選擇不同的逆變主電路、電樞繞組接法和電樞繞組相數(shù)可以有多種不同組合，為達(dá)到性價(jià)比最優(yōu)，應(yīng)遵循以下三條原則：

l）繞組利用率：與普通電動(dòng)機(jī)不同，無刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組是斷續(xù)供電的。適當(dāng)提高繞組利用率可以使同時(shí)通電的導(dǎo)體數(shù)增加，電阻下降，效率提高。

2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：無刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比普通直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越??；采用橋式主電路比采用非橋式主電路的脈動(dòng)小。

3）電路成本：相數(shù)越多，逆變電路使用的開關(guān)器件越多，成本越高。橋式主電路成本要比非橋式主電路的成本高?；谝陨显瓌t，三相半橋主電路雖然結(jié)構(gòu)簡單，但電動(dòng)機(jī)本體的利用率很低，并且整個(gè)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，在實(shí)際應(yīng)用中并不很多；四相或以上電路由于開關(guān)器件數(shù)量多、成本高，應(yīng)用也不很多。目前應(yīng)用最多逆變主電路形式是星形聯(lián)結(jié)三相橋式。下面針對(duì)其工作方式做一詳細(xì)分析。

9 . 1 . 2星形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路的工作方式

星形聯(lián)結(jié)三相橋式主電路如圖9一1 。所示，其控制方式有兩種：二二導(dǎo)通方式和三三導(dǎo)通方式。

1．二二導(dǎo)通方式

二二導(dǎo)通方式是指在任一瞬間使兩個(gè)開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通。這種工作方式就是兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式，我們已經(jīng)在第8章8 . 1 . 1節(jié)分析了其基本原理。下面根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的概念來分析其導(dǎo)通規(guī)律及特點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩可由電樞的電磁功率求得。

由此可見，如果忽略換相過程的影響，當(dāng)梯形反電動(dòng)勢(shì)的平頂寬度大于等于120 ”電角度時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為O 。因此，無刷直流電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量增大磁極弧系數(shù)，以獲得足夠?qū)挼拇鸥袘?yīng)強(qiáng)度分布波形，從而得到平頂部分較寬的反電動(dòng)勢(shì)波形。

同時(shí)，如果假定電流為平頂波，電動(dòng)機(jī)工作在兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式時(shí)，總的電磁轉(zhuǎn)矩是每相電磁轉(zhuǎn)矩的兩倍。如假定氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間呈正弦分布，就可根據(jù)相量圖得出此時(shí)合成電磁轉(zhuǎn)矩為每相電磁轉(zhuǎn)矩的辦倍的結(jié)論。這里必須指出，該結(jié)論對(duì)于無刷直流電動(dòng)機(jī)來說是不準(zhǔn)確的，但可用于逆變器工作方式的定性分析，所以本書中只給出相應(yīng)的結(jié)論，沒有給出推導(dǎo)過程。

2．三三導(dǎo)通方式

三三導(dǎo)通方式是在任一瞬間使三個(gè)開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通。如圖9一3所示，各開關(guān)器件導(dǎo)通的順序?yàn)閂T，、 VTZ 、 vT3 、 vT：、 vT3 、 VT 。一VT3 、 VT4 、 VTS一VT 。 、vrr，、 vT6 、 vT，、 vT 。 、 vTI一VT 。 、 VT．、 VTZ … 。由此可見，三三導(dǎo)通方式也有六種導(dǎo)通狀態(tài)，同樣也是每隔60 ”改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次工作狀態(tài)換相一次，但是每個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通1800，導(dǎo)通的時(shí)間增加了。

    當(dāng)VT．、 VTZ 、 VT，導(dǎo)通時(shí)，電流的路徑為，電源一VT，、 VT3 、 A相繞組和B相繞組＊C相繞組一VTZ 、地。其中，A相和B相相當(dāng)于并聯(lián)。如果假定C相繞組的電流為I，則A 、 B兩相繞組的電流分別為刀2，可以求得電樞繞組產(chǎn)生的總電磁轉(zhuǎn)矩為單相轉(zhuǎn)矩的兩倍。

    在三三導(dǎo)通方式下，各相繞組不是在反電動(dòng)勢(shì)波形的平頂部分換相，而是在反電動(dòng)勢(shì)的過零點(diǎn)換相。因此，在電樞電流和轉(zhuǎn)速相同的情況下，三三導(dǎo)通方式下平均電磁轉(zhuǎn)矩比二二導(dǎo)通方式下要小，同時(shí)瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩還存在脈動(dòng)。如果假定氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間呈正弦分布，則合成電磁轉(zhuǎn)矩是單相電磁轉(zhuǎn)矩的1 . 5倍。

比較兩種通電方式可見：在二二通電方式下，每個(gè)開關(guān)器件均有60 ”電角度的不導(dǎo)通時(shí)間，不可能發(fā)生直通短路故障。而在三三通電方式下，因每個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間為180 ”電角度，如有一個(gè)開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷稍有延遲，就會(huì)引發(fā)直通短路，導(dǎo)致開關(guān)器件損壞。并且，兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式很好地利用了方波氣隙磁場的平頂部分，使得電動(dòng)機(jī)的出力大、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性好。所以兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)工作方式最為常用。對(duì)于三角形聯(lián)結(jié)二二導(dǎo)通方式與星形聯(lián)結(jié)三三導(dǎo)通情況相似；三三導(dǎo)通方式與星形聯(lián)結(jié)二二導(dǎo)通方式相似。