驅動永磁同步電機的新型機械-電子混合逆變器

向學位， 袁彬， 柴建云， 李輝

(1.重慶大學 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400044； 2.清華大學 電力系統及發電設備安全控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084)

0 引 言

永磁同步電機按其驅動波形可分為方波永磁同步電機(也稱為無刷直流電機)和正弦波永磁同步電機[1]，它們均具有高功率密度、高輸出轉矩和高效率等優點，因此具有廣泛的應用[2-3]。其中方波永磁同步電機一般采用120°方波驅動方式，而正弦波永磁同步電機采用正弦波驅動。

由于不存在電刷和機械換向器，永磁同步電機無論開環還是閉環運行都需要電子逆變器。電子逆變器一般通過全控功率器件組成三相逆變橋，再對器件進行脈寬調制控制來實現。但是電子逆變器成本高昂，且可靠性較低，主要有以下兩方面原因：

1)全控功率器件及其驅動電路是電機系統中成本較高且最容易損壞的部件[4-6]，其故障占電機系統故障的82.5%[7]。

2)方波永磁同步電機的電子逆變器需要通過位置傳感器來決定換向時刻，而正弦波永磁同步電機則需要更高精度的位置傳感器來實現轉速和位置的閉環控制[8]。但是位置傳感器增加了系統成本，且在惡劣工況下可靠性較低[9]。雖然為了避免使用位置傳感器，許多方波永磁同步電機無傳感器技術[10-12]和正弦波永磁同步電機無傳感器技術[13-16]已經被提出，但這些技術控制極其復雜，無法適應全速度范圍，而且在零速和低速階段效果不佳[9]。

傳統有刷直流電機的機械換向裝置本質上也是一個逆變器。與電子逆變器相比，這種機械逆變器可靠性高，能承受較大的過電壓、過電流，而且不需要位置傳感器。但機械換向幾乎不可避免的存在火花，且極有可能產生電弧[17]。為了防止換向時產生電弧，造成環火故障[18]，有刷直流電機的換向器片間電壓需要限制在十幾伏之內，所以高壓直流電機的換向片數量巨大，有的還需配備換向極或者輔助繞組排布復雜，成本高昂。

文獻[19]表明，電弧的產生既需要電場強度大于介質擊穿場強，還需要觸頭兩端電壓大于起弧電壓，并在此基礎上提出一種抑制起弧的續流緩沖電路。但該電路僅適用于直流斷路器這種單次開斷工況，無法應用于電機這種連續換向工況，并且電路中包含耗能的電阻，導致效率較低。文獻[20-21]提出了一種采用機械-電子混合換向器的新型直流電機。混合換向器機械部分由換向器和電刷組成，電子部分為電容和二極管組成的續流電路，用于抑制機械換向器電弧和火花。但這種混合換向器只適用于該特殊結構的直流電機，無法用于驅動普通永磁同步電機。

電子逆變器和機械逆變器有著廣泛的應用，但都存在各自的不足，因此本文提出一種機械-電子混合逆變器。其機械部分包含換向器、換向電刷、輔助滑環和輔助電刷，電子部分為電容和二極管續流橋臂組成的續流電路。進一步將混合逆變器應用于驅動三相方波和正弦波永磁同步電機。仿真和實驗表明，混合逆變器能簡單、低成本和高效率地實現永磁同步電機無傳感器驅動。另外，這種機械換向器結構簡單，相比普通直流電機所需換向片數量明顯減少，同時續流電路還保證其不會產生電弧。

1 機械-電子混合逆變器

1.1 混合逆變器原理

輸出三相120°方波的機械-電子混合逆變器拓撲如圖1所示。混合逆變器的機械部分包含換向器和電刷，它們均按圓周排布，其中相鄰兩電刷互差120°機械角度。機械換向器由電源正極換向片、正向續流換向片、電源負極換向片和反向續流換向片構成，它們彼此之間通過云母片絕緣。換向裝置的電子部分為續流電路，包括一個緩沖電容C和兩個續流橋臂，正向續流橋臂由二極管D1和D2組成，反向續流橋臂由二極管D3和D4組成。

圖1 混合逆變器原理圖

理想情況下，電源正極換向片、電源負極換向片的角度dPPCS、dNPCS為120°，即每相繞組半個周期內導通的角度。正向續流換向片、反向續流換向片的角度dFFCS、dRFCS為60°，即半個周期內續流和截止角度。然而實際電刷角度為db和兩換向片間的絕緣角度為di均大于0，為了避免兩相同時連接到同一換向片，電源換向片的角度不能大于120°-db。再考慮留一定裕度，從120°-db中扣除電源換向片前后的絕緣角度，可得到各換向片角度為：

(1)

文獻[20]中混合換向器中三相電壓通過旋轉的電刷輸出，只適用于三相繞組在轉子側的特殊結構電機。但永磁同步電機的電樞繞組固定在定子側，所以需要機械-電子混合換向裝置的三相電壓通過固定部件輸出。為了實現驅動固定負載，所提機械-電子混合換向裝置中增設了輔助電刷和輔助滑環。電源正極換向片連接直流電源正極，電源負極換向片連接直流電源負極，正向續流換向片、反向續流換向片分別連接到兩個續流橋臂的中點。機械換向器、續流電路和輔助滑環固定，換向電刷和輔助電刷旋轉，實現和換向器的滑動接觸，從而將直流逆變為120°方波，并實現了三相電壓的固定輸出。當混合逆變器驅動阻感負載時，電刷由一個輔助的小功率電機帶動旋轉，在驅動電機負載時則直接和電機轉子同軸旋轉。輔助滑環和輔助電刷只是用于將旋轉輸出轉化為固定輸出，對換向效果不產生任何影響，在后面的分析中可省略該部分。

1.2 混合逆變器工作過程

混合逆變器運行時，每相負載通過電刷依次與電源正極換向片、正向續流換向片、電源負極換向片和反向續流換向片滑動接觸，并再次到達電源正極換向片開始下一個循環。電刷和換向器的滑動接觸實現了負載電流的換向，一個周期內每相負載有正向導通、正向續流、反向導通、反向續流以及續流完成后不導通五個狀態。

機械換向器換向過程中存在起弧風險，所以用于抑制起弧的續流電路是分析的重點。每個續流過程包含兩個階段。如圖2(a)所示B相正向續流第一階段：A相負載開始正向導通，C相負載保持反向導通，B相負載剛脫離電源正極換向片開始正向續流，二極管D2導通，電容C從零電壓開始充電。如圖2(b)所示B相正向續流第二階段：電容C充電到直流電源電壓UDC后維持不變，二極管D2關斷，B相電流直接由電源負極通過二極管D1提供，直到續流完畢。如圖2(c)所示C相反向續流第一階段：C相負載開始反向續流，二極管D3導通，電容C從直流電源電壓UDC開始放電。如圖2(d)所示C相反向續流第二階段：電容C放電到零后維持不變，二極管D3關斷，C相電流通過二極管D4直接流入電源正極，直到續流完畢。各相負載交替正、反向續流，電容C循環充放電。

圖2 混合逆變器工作過程

電弧的產生需同時滿足起弧電場強度條件和起弧電壓條件[19]。由于緩沖電容C的作用，續流相電刷與電源換向片分離后，兩者間電壓開始緩慢上升，起弧電壓條件和電場強度條件不能同時滿足，不會產生電弧。

1.3 續流電路狀態唯一性原則

電源正極換向片、正向續流換向片、電源負極換向片和反向續流換向片構成一個360°電角度的換向片組。混合逆變器驅動阻感負載時，機械換向器所包含的換向片組數可以自由選擇。但當其驅動電機負載時，為了保證電磁轉矩恒定，換向片組數應等于永磁體極對數p。對于輸出120°方波，包含p組換向片的m相混合逆變器，其電源換向片機械角度為120°/p，續流換向片機械角度為60°/p，相鄰兩換向電刷互差360°/m機械角度。

任意時刻最多只能有一相負載與續流電路連接，以保證其工作狀態的唯一性。可能出現續流電路連接多相負載的情況包括：多相負載直接同時連接到同一續流換向片；多相負載通過不同續流橋臂同時連接到續流電路；多相負載通過同一續流橋臂連接的不同組續流換向片同時連接到續流電路。

1)為避免多相負載直接同時連接到同一續流換向片，相鄰兩換向電刷間機械角度需大于續流換向片機械角度。所以360°/m>60°/p，即m<6p。對于m=6p的臨界情況，適當減小續流換向片寬度可避免其與多相負載連接。

2)為避免多相負載通過不同續流橋臂同時連接到續流電路，換向電刷間機械角度不能在120°/p～240°/p范圍內，即m<1.5p或者m>3p。對于m=1.5p或者m=3p的臨界情況，同樣可通過減小續流換向片寬度來避免。綜合1)和2)得到

m≤1.5p∪3p≤m≤6p。

(2)

3)當換向電刷間機械角度在300°/p～420°/p范圍內，多相負載將通過同一續流橋臂連接的不同組續流換向片同時連接到續流電路，此時有

(3)

此種情況下，m、p的關系滿足式(2)，因此只需要增加續流電路，使各換向片組中對應的續流換向片連接到不同續流電路，即可保證各自續流電路工作狀態的唯一性。

2 阻感負載驅動

2.1 阻感負載驅動系統結構

混合逆變器驅動阻感負載的系統框圖如圖3所示。續流電路、機械換向器和輔助滑環固定，電刷由一個輔助小功率電機帶動旋轉。UDC1為主直流電源，經DC-DC調壓后為混合逆變器提供直流母線，對于不需要調壓的逆變系統，UDC1直接為逆變器供電。UDC2為輔助直流電源，經DC-DC調壓后驅動輔助小功率電機，對于不需要調頻的逆變系統，UDC2直接驅動電機。輸出交流頻率為

圖3 混合逆變器驅動阻感負載時系統框圖

(4)

其中：n為輔助小功率電機轉速；p為機械換向器換向片組數。可見增加換向片組數，可以用低轉速獲得高頻的交流輸出。另外，f不需要通過傳感器測量輔助電機轉速，再利用式(4)來計算，可直接通過續流電路中電容電壓ucp的頻率fcp計算得到

f=3Ncpfcp。

(5)

其中Ncp為續流電路套數，即緩沖電容數量。

2.2 阻感負載驅動仿真結果

為驗證所提混合逆變器驅動阻感負載的性能，在MATLAB/Simulink平臺進行了仿真分析，并和電子逆變器進行了對比。

仿真參數：采用碳刷，機械換向器和輔助滑環與電刷的接觸電阻Rm=0.2 Ω。緩沖電容值C=3.3 μF，電容內阻1 mΩ。二極管(DSEC16-06A)功率損耗參數：門檻電壓UF0=1.03 V；斜率電阻rF=25.1 mΩ。負載電阻RL=30 Ω，負載電感LL=10 mH。直流電源電壓UDC=200 V，輸出交流頻率f=50 Hz。

混合逆變器驅動三相阻感負載的仿真結果如圖4所示。如圖4(a)所示三相電流波形，每相繞組實現了120°導通。圖4(b)所示為輸出線電壓，由于續流電路作用，電壓波形雖然在續流階段發生變形，但無過電壓出現。圖4(c)和4(d)分別為緩沖電容的電壓、電流。某一相正向續流期間，電容電壓緩慢上升到電源電壓，反向續流期間，電容電壓緩慢下降到零。

圖4 混合逆變器驅動阻感負載時仿真波形

3 三相方波永磁同步電機驅動

3.1 電機驅動系統結構

混合逆變器驅動電機負載的系統框圖如圖5所示。對比圖3可以發現，電機驅動系統更加簡單，混合逆變器的電刷直接和被驅動電機同軸旋轉，不需要輔助小功率電機及其驅動部分，也不需要位置傳感器檢測電機轉子位置。直流電源UDC經DC-DC調壓即可實現電機調速，對于不需要調速的系統，UDC直接供電。另外，電機轉速不需要速度傳感器來測量，可直接通過續流電路中電容電壓ucp的頻率fcp計算得到

圖5 混合逆變器驅動電機時系統框圖

(6)

3.2 方波永磁同步電機驅動仿真結果

方波永磁同步電機參數：額定電流In=5 A；極對數p=2；額定電磁轉矩Tn=3 N·m；額定轉速nn=3 000 r/min。直流電源電壓UDC=220 V。

混合逆變器和電子逆變器驅動三相方波永磁同步電機的仿真結果如圖6所示。

圖6 混合逆變器驅動方波永磁同步電機時仿真波形

三相電流仿真波形如圖6(a)所示，每相繞組實現了120°導通。導通相在其它相換向期間電流下降，這是由于電機電感較大，開始導通相電流的上升慢于關斷相電流的下降。相電流下凹是無刷直流電機驅動中十分普遍的現象。如圖6(b)和6(c)所示，轉速和電磁轉矩紋波較小。混合逆變器驅動的三相方波永磁同步電機各項性能均達到了和電子逆變器相同的水平。

4 三相正弦波永磁同步電機驅動

4.1 120°和150°方波對比

方波永磁同步電機采用120°方波驅動，但正弦波永磁同步電機需要正弦波驅動。通過圖7的波形對比和圖8的諧波對比可以發現，120°方波雖然無3次諧波，但其5、7次諧波較大。150°方波5、7次諧波大大降低，雖然其相電壓中存在3次諧波，但在三相對稱Y接繞組的線電壓中被抑制。因此正弦度更好的150°方波更適合驅動正弦波永磁同步電機，這也符合交流電機繞組設計中依靠5/6短距系數來降低5、7次諧波的思想。

圖7 方波波形對比

圖8 方波諧波對比

4.2 三相正弦波永磁同步電機驅動仿真結果

三相正弦波永磁同步電機參數：定子電阻R=18.7 Ω；定子電感Ld=Lq=26.82 mH；極對數p=2；磁鏈ψf=0.171 7 Wb；額定電磁轉矩Tn=0.8 N·m；額定轉速nn=3 000 r/min。直流電源電壓UDC=300 V。

混合逆變器和電子逆變器驅動三相正弦波永磁同步電機的仿真結果對比如圖9、10和11所示。

圖9 三相永磁同步電機仿真波形

圖10 三相永磁同步電機定子磁鏈

電子逆變器驅動下電機相電流為正弦波，定子磁鏈為圓形，轉速和電磁轉矩脈動極小，適合高性能控制系統。混合逆變器驅動下相電流接近正弦波，磁鏈近似為六邊形，轉速和電磁轉矩脈動稍大，適用于對轉矩精度要求不是特別高的應用中。但其相較于方波永磁同步電機來說在轉矩平穩性上仍有優勢。圖11給出了混合逆變器驅動下電機相電流和定子磁鏈的諧波分析，基波頻率為100 Hz，主要包含少量的5、7、11和13次諧波。

圖11 三相永磁同步電機諧波

5 實驗結果及分析

5.1 實驗裝置

為了驗證所提混合逆變器的有效性，進行了實驗分析。混合逆變器簡易樣機實物如圖12所示。圖12(b)中續流電路包括4支二極管(DSEC16-06A)和一個3.3 μF的CBB電容。圖12(c)中外圍3個電刷為換向電刷，里面3個為輔助電刷，并通過彈簧保證了其與換向器間的可靠接觸。圖12(d)中所示為加厚PCB制作的機械換向器和輔助滑環，最外面一環為兩個換向片組構成的機械換向器，里面3個為輔助滑環。

圖12 混合逆變器實物圖

5.2 實驗結果

實驗主要目的在于驗證混合逆變器換向過程中抑制電弧效果。對于混合逆變器輸出側電刷來說，阻感負載具有和永磁同步電機相似的電壓、電流特性[9]，且容易測量和調節，因此實驗中混合逆變器用于驅動三相阻感負載。

電刷轉速越高，其與電源換向片間的絕緣強度上升得越快，就越不容易產生電弧。所以為了驗證起弧情況，實驗中使輔助小功率電機工作在較低轉速，約為500 r/min。換向器包含兩個換向片組，輸出交流頻率f約為16.7 Hz。直流電源電壓UDC=200 V，負載電阻RL=30 Ω，負載電感LL=10 mH。

混合逆變器實驗結果如圖13所示。三相電流、線電壓、電容電壓和電容電流均與圖4中仿真結果基本一致。實驗過程中雖然電刷邊緣有小部分有微弱的點狀火花，按照國標GB/T 755-1987《旋轉電機 基本技術要求》中火花等級標準[22]，約為1·1/4級，但無電弧產生，混合逆變器正常運行。另外，在不采用續流電路的對比實驗中電弧明顯，且很快燒毀電刷，比火花等級中的3級更嚴重。

圖13 混合逆變器驅動阻感負載時實驗波形

5.3 效率分析

由于混合逆變器在驅動電機負載時不需要輔助小功率電機，所以在效率分析時忽略該部分。因此混合逆變器效率為輸出的三相功率PABC和直流電源功率PDC之比。其中，根據兩表法測量三相功率原理可知PABC為三相瞬時功率PABC=uACiA+uBCiB的平均值，PDC為直流電源電壓和電流乘積的平均值。直流電源電壓從50 V增加到200 V，輔助小功率電機帶動電刷在轉速分別為500 r/min和700 r/min條件下的效率測量結果分別如表1和表2所示。實驗中效率最高為98.9%，最低為95.6%。

表1 轉速500 r/min時混合逆變器實驗效率

表2 轉速700 r/min時混合逆變器實驗效率

6 結 論

本文提出了一種用于永磁同步電機驅動的新型機械-電子混合逆變器，主要結論如下：

1)混合逆變器包括機械部分和電子部分：換向器、換向電刷、輔助滑環和輔助電刷組成的機械部分用于產生方波；電子部分為電容和二極管組成的續流電路，用于抑制機械換向器電弧。仿真和實驗驗證了混合逆變器的可行性。

2)混合逆變器實現了永磁同步電機無傳感器驅動：120°方波驅動的方波永磁同步電機各項性能均達到了和電子逆變器相當的水平；150°方波驅動的三相正弦波永磁同步電機相電流諧波較小，電磁轉矩脈動雖然比電子逆變器驅動時更大，但仍小于方波永磁同步電機。

3)混合逆變器具有結構簡單，成本低和效率高等優點，但受限于續流電路中二極管單向導電性，只能實現電機的單向驅動。可以考慮用于風機泵類等單向運行的負載。