同步电机之关于永磁无刷直流电动机主电路形式和工作方式

9 . 1 . 1逆变主电路及与电枢绕组的几种典型接法

逆变主电路是驱动系统的一部分，主要由功率MOSFET 、 IGBT或智能功率模块（IPM）等全控型电子功率开关组成，通过控制功率开关开通和关断，将直流电转变为交流电，向电动机电枢绕组供电。逆变主电路有桥式和非桥式两种，电动机电枢绕组又可接成星形或三角形，因此电枢绕组与逆变主电路的连接可以有多种不同组合，图9一1给出了几种常见的连接方式。其中图a和图b是非桥式主电路，电枢绕组只允许单方向通电；其余为桥式电路，电枢绕组允许双向通电。

选择不同的逆变主电路、电枢绕组接法和电枢绕组相数可以有多种不同组合，为达到性价比最优，应遵循以下三条原则：

l）绕组利用率：与普通电动机不同，无刷直流电动机的绕组是断续供电的。适当提高绕组利用率可以使同时通电的导体数增加，电阻下降，效率提高。

2）转矩脉动：无刷直流电动机的输出转矩脉动比普通直流电动机的输出转矩脉动大，一般相数越多，转矩脉动越小；采用桥式主电路比采用非桥式主电路的脉动小。

3）电路成本：相数越多，逆变电路使用的开关器件越多，成本越高。桥式主电路成本要比非桥式主电路的成本高。基于以上原则，三相半桥主电路虽然结构简单，但电动机本体的利用率很低，并且整个运行过程中转矩脉动较大，在实际应用中并不很多；四相或以上电路由于开关器件数量多、成本高，应用也不很多。目前应用最多逆变主电路形式是星形联结三相桥式。下面针对其工作方式做一详细分析。

9 . 1 . 2星形联结三相桥式主电路的工作方式

星形联结三相桥式主电路如图9一1 。所示，其控制方式有两种：二二导通方式和三三导通方式。

1．二二导通方式

二二导通方式是指在任一瞬间使两个开关器件同时导通。这种工作方式就是两相导通星形三相六状态方式，我们已经在第8章8 . 1 . 1节分析了其基本原理。下面根据反电动势和电磁转矩的概念来分析其导通规律及特点。电动机的瞬时电磁转矩可由电枢的电磁功率求得。

由此可见，如果忽略换相过程的影响，当梯形反电动势的平顶宽度大于等于120 ”电角度时，电动机的转矩脉动为O 。因此，无刷直流电动机在设计时，应尽量增大磁极弧系数，以获得足够宽的磁感应强度分布波形，从而得到平顶部分较宽的反电动势波形。

同时，如果假定电流为平顶波，电动机工作在两相导通星形三相六状态方式时，总的电磁转矩是每相电磁转矩的两倍。如假定气隙磁感应强度在空间呈正弦分布，就可根据相量图得出此时合成电磁转矩为每相电磁转矩的办倍的结论。这里必须指出，该结论对于无刷直流电动机来说是不准确的，但可用于逆变器工作方式的定性分析，所以本书中只给出相应的结论，没有给出推导过程。

2．三三导通方式

三三导通方式是在任一瞬间使三个开关器件同时导通。如图9一3所示，各开关器件导通的顺序为VT，、 VTZ 、 vT3 、 vT：、 vT3 、 VT 。一VT3 、 VT4 、 VTS一VT 。 、vrr，、 vT6 、 vT，、 vT 。 、 vTI一VT 。 、 VT．、 VTZ … 。由此可见，三三导通方式也有六种导通状态，同样也是每隔60 ”改变一次导通状态，每改变一次工作状态换相一次，但是每个开关器件导通1800，导通的时间增加了。

    当VT．、 VTZ 、 VT，导通时，电流的路径为，电源一VT，、 VT3 、 A相绕组和B相绕组＊C相绕组一VTZ 、地。其中，A相和B相相当于并联。如果假定C相绕组的电流为I，则A 、 B两相绕组的电流分别为刀2，可以求得电枢绕组产生的总电磁转矩为单相转矩的两倍。

    在三三导通方式下，各相绕组不是在反电动势波形的平顶部分换相，而是在反电动势的过零点换相。因此，在电枢电流和转速相同的情况下，三三导通方式下平均电磁转矩比二二导通方式下要小，同时瞬时电磁转矩还存在脉动。如果假定气隙磁感应强度在空间呈正弦分布，则合成电磁转矩是单相电磁转矩的1 . 5倍。

比较两种通电方式可见：在二二通电方式下，每个开关器件均有60 ”电角度的不导通时间，不可能发生直通短路故障。而在三三通电方式下，因每个开关器件导通时间为180 ”电角度，如有一个开关的导通和关断稍有延迟，就会引发直通短路，导致开关器件损坏。并且，两相导通三相六状态工作方式很好地利用了方波气隙磁场的平顶部分，使得电动机的出力大、转矩平稳性好。所以两相导通三相六状态工作方式最为常用。对于三角形联结二二导通方式与星形联结三三导通情况相似；三三导通方式与星形联结二二导通方式相似。