驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)的新型機(jī)械-電子混合逆變器

向?qū)W位， 袁彬， 柴建云， 李輝

(1.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044； 2.清華大學(xué) 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

0 引 言

永磁同步電機(jī)按其驅(qū)動(dòng)波形可分為方波永磁同步電機(jī)(也稱(chēng)為無(wú)刷直流電機(jī))和正弦波永磁同步電機(jī)[1]，它們均具有高功率密度、高輸出轉(zhuǎn)矩和高效率等優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣泛的應(yīng)用[2-3]。其中方波永磁同步電機(jī)一般采用120°方波驅(qū)動(dòng)方式，而正弦波永磁同步電機(jī)采用正弦波驅(qū)動(dòng)。

由于不存在電刷和機(jī)械換向器，永磁同步電機(jī)無(wú)論開(kāi)環(huán)還是閉環(huán)運(yùn)行都需要電子逆變器。電子逆變器一般通過(guò)全控功率器件組成三相逆變橋，再對(duì)器件進(jìn)行脈寬調(diào)制控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(qū)動(dòng)電路是電機(jī)系統(tǒng)中成本較高且最容易損壞的部件[4-6]，其故障占電機(jī)系統(tǒng)故障的82.5%[7]。

2)方波永磁同步電機(jī)的電子逆變器需要通過(guò)位置傳感器來(lái)決定換向時(shí)刻，而正弦波永磁同步電機(jī)則需要更高精度的位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和位置的閉環(huán)控制[8]。但是位置傳感器增加了系統(tǒng)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(jī)無(wú)傳感器技術(shù)[10-12]和正弦波永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器技術(shù)[13-16]已經(jīng)被提出，但這些技術(shù)控制極其復(fù)雜，無(wú)法適應(yīng)全速度范圍，而且在零速和低速階段效果不佳[9]。

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

文獻(xiàn)[19]表明，電弧的產(chǎn)生既需要電場(chǎng)強(qiáng)度大于介質(zhì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)，還需要觸頭兩端電壓大于起弧電壓，并在此基礎(chǔ)上提出一種抑制起弧的續(xù)流緩沖電路。但該電路僅適用于直流斷路器這種單次開(kāi)斷工況，無(wú)法應(yīng)用于電機(jī)這種連續(xù)換向工況，并且電路中包含耗能的電阻，導(dǎo)致效率較低。文獻(xiàn)[20-21]提出了一種采用機(jī)械-電子混合換向器的新型直流電機(jī)。混合換向器機(jī)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(xù)流電路，用于抑制機(jī)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(jié)構(gòu)的直流電機(jī)，無(wú)法用于驅(qū)動(dòng)普通永磁同步電機(jī)。

電子逆變器和機(jī)械逆變器有著廣泛的應(yīng)用，但都存在各自的不足，因此本文提出一種機(jī)械-電子混合逆變器。其機(jī)械部分包含換向器、換向電刷、輔助滑環(huán)和輔助電刷，電子部分為電容和二極管續(xù)流橋臂組成的續(xù)流電路。進(jìn)一步將混合逆變器應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)三相方波和正弦波永磁同步電機(jī)。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，混合逆變器能簡(jiǎn)單、低成本和高效率地實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)。另外，這種機(jī)械換向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相比普通直流電機(jī)所需換向片數(shù)量明顯減少，同時(shí)續(xù)流電路還保證其不會(huì)產(chǎn)生電弧。

1 機(jī)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(jī)械-電子混合逆變器拓?fù)淙鐖D1所示?；旌夏孀兤鞯臋C(jī)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(jī)械角度。機(jī)械換向器由電源正極換向片、正向續(xù)流換向片、電源負(fù)極換向片和反向續(xù)流換向片構(gòu)成，它們彼此之間通過(guò)云母片絕緣。換向裝置的電子部分為續(xù)流電路，包括一個(gè)緩沖電容C和兩個(gè)續(xù)流橋臂，正向續(xù)流橋臂由二極管D1和D2組成，反向續(xù)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(fù)極換向片的角度dPPCS、dNPCS為120°，即每相繞組半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的角度。正向續(xù)流換向片、反向續(xù)流換向片的角度dFFCS、dRFCS為60°，即半個(gè)周期內(nèi)續(xù)流和截止角度。然而實(shí)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(shí)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(xiàn)[20]中混合換向器中三相電壓通過(guò)旋轉(zhuǎn)的電刷輸出，只適用于三相繞組在轉(zhuǎn)子側(cè)的特殊結(jié)構(gòu)電機(jī)。但永磁同步電機(jī)的電樞繞組固定在定子側(cè)，所以需要機(jī)械-電子混合換向裝置的三相電壓通過(guò)固定部件輸出。為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)固定負(fù)載，所提機(jī)械-電子混合換向裝置中增設(shè)了輔助電刷和輔助滑環(huán)。電源正極換向片連接直流電源正極，電源負(fù)極換向片連接直流電源負(fù)極，正向續(xù)流換向片、反向續(xù)流換向片分別連接到兩個(gè)續(xù)流橋臂的中點(diǎn)。機(jī)械換向器、續(xù)流電路和輔助滑環(huán)固定，換向電刷和輔助電刷旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)和換向器的滑動(dòng)接觸，從而將直流逆變?yōu)?20°方波，并實(shí)現(xiàn)了三相電壓的固定輸出。當(dāng)混合逆變器驅(qū)動(dòng)阻感負(fù)載時(shí)，電刷由一個(gè)輔助的小功率電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載時(shí)則直接和電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)。輔助滑環(huán)和輔助電刷只是用于將旋轉(zhuǎn)輸出轉(zhuǎn)化為固定輸出，對(duì)換向效果不產(chǎn)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(guò)程

混合逆變器運(yùn)行時(shí)，每相負(fù)載通過(guò)電刷依次與電源正極換向片、正向續(xù)流換向片、電源負(fù)極換向片和反向續(xù)流換向片滑動(dòng)接觸，并再次到達(dá)電源正極換向片開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)。電刷和換向器的滑動(dòng)接觸實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電流的換向，一個(gè)周期內(nèi)每相負(fù)載有正向?qū)ā⒄蚶m(xù)流、反向?qū)?、反向續(xù)流以及續(xù)流完成后不導(dǎo)通五個(gè)狀態(tài)。

機(jī)械換向器換向過(guò)程中存在起弧風(fēng)險(xiǎn)，所以用于抑制起弧的續(xù)流電路是分析的重點(diǎn)。每個(gè)續(xù)流過(guò)程包含兩個(gè)階段。如圖2(a)所示B相正向續(xù)流第一階段：A相負(fù)載開(kāi)始正向?qū)?，C相負(fù)載保持反向?qū)ǎ珺相負(fù)載剛脫離電源正極換向片開(kāi)始正向續(xù)流，二極管D2導(dǎo)通，電容C從零電壓開(kāi)始充電。如圖2(b)所示B相正向續(xù)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(guān)斷，B相電流直接由電源負(fù)極通過(guò)二極管D1提供，直到續(xù)流完畢。如圖2(c)所示C相反向續(xù)流第一階段：C相負(fù)載開(kāi)始反向續(xù)流，二極管D3導(dǎo)通，電容C從直流電源電壓UDC開(kāi)始放電。如圖2(d)所示C相反向續(xù)流第二階段：電容C放電到零后維持不變，二極管D3關(guān)斷，C相電流通過(guò)二極管D4直接流入電源正極，直到續(xù)流完畢。各相負(fù)載交替正、反向續(xù)流，電容C循環(huán)充放電。

圖2 混合逆變器工作過(guò)程

電弧的產(chǎn)生需同時(shí)滿足起弧電場(chǎng)強(qiáng)度條件和起弧電壓條件[19]。由于緩沖電容C的作用，續(xù)流相電刷與電源換向片分離后，兩者間電壓開(kāi)始緩慢上升，起弧電壓條件和電場(chǎng)強(qiáng)度條件不能同時(shí)滿足，不會(huì)產(chǎn)生電弧。

1.3 續(xù)流電路狀態(tài)唯一性原則

電源正極換向片、正向續(xù)流換向片、電源負(fù)極換向片和反向續(xù)流換向片構(gòu)成一個(gè)360°電角度的換向片組?；旌夏孀兤黩?qū)動(dòng)阻感負(fù)載時(shí)，機(jī)械換向器所包含的換向片組數(shù)可以自由選擇。但當(dāng)其驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載時(shí)，為了保證電磁轉(zhuǎn)矩恒定，換向片組數(shù)應(yīng)等于永磁體極對(duì)數(shù)p。對(duì)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(jī)械角度為120°/p，續(xù)流換向片機(jī)械角度為60°/p，相鄰兩換向電刷互差360°/m機(jī)械角度。

任意時(shí)刻最多只能有一相負(fù)載與續(xù)流電路連接，以保證其工作狀態(tài)的唯一性?？赡艹霈F(xiàn)續(xù)流電路連接多相負(fù)載的情況包括：多相負(fù)載直接同時(shí)連接到同一續(xù)流換向片；多相負(fù)載通過(guò)不同續(xù)流橋臂同時(shí)連接到續(xù)流電路；多相負(fù)載通過(guò)同一續(xù)流橋臂連接的不同組續(xù)流換向片同時(shí)連接到續(xù)流電路。

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

2)為避免多相負(fù)載通過(guò)不同續(xù)流橋臂同時(shí)連接到續(xù)流電路，換向電刷間機(jī)械角度不能在120°/p～240°/p范圍內(nèi)，即m<1.5p或者m>3p。對(duì)于m=1.5p或者m=3p的臨界情況，同樣可通過(guò)減小續(xù)流換向片寬度來(lái)避免。綜合1)和2)得到

m≤1.5p∪3p≤m≤6p。

(2)

3)當(dāng)換向電刷間機(jī)械角度在300°/p～420°/p范圍內(nèi)，多相負(fù)載將通過(guò)同一續(xù)流橋臂連接的不同組續(xù)流換向片同時(shí)連接到續(xù)流電路，此時(shí)有

(3)

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

2 阻感負(fù)載驅(qū)動(dòng)

2.1 阻感負(fù)載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合逆變器驅(qū)動(dòng)阻感負(fù)載的系統(tǒng)框圖如圖3所示。續(xù)流電路、機(jī)械換向器和輔助滑環(huán)固定，電刷由一個(gè)輔助小功率電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。UDC1為主直流電源，經(jīng)DC-DC調(diào)壓后為混合逆變器提供直流母線，對(duì)于不需要調(diào)壓的逆變系統(tǒng)，UDC1直接為逆變器供電。UDC2為輔助直流電源，經(jīng)DC-DC調(diào)壓后驅(qū)動(dòng)輔助小功率電機(jī)，對(duì)于不需要調(diào)頻的逆變系統(tǒng)，UDC2直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。輸出交流頻率為

圖3 混合逆變器驅(qū)動(dòng)阻感負(fù)載時(shí)系統(tǒng)框圖

(4)

其中：n為輔助小功率電機(jī)轉(zhuǎn)速；p為機(jī)械換向器換向片組數(shù)?？梢?jiàn)增加換向片組數(shù)，可以用低轉(zhuǎn)速獲得高頻的交流輸出。另外，f不需要通過(guò)傳感器測(cè)量輔助電機(jī)轉(zhuǎn)速，再利用式(4)來(lái)計(jì)算，可直接通過(guò)續(xù)流電路中電容電壓ucp的頻率fcp計(jì)算得到

f=3Ncpfcp。

(5)

其中Ncp為續(xù)流電路套數(shù)，即緩沖電容數(shù)量。

2.2 阻感負(fù)載驅(qū)動(dòng)仿真結(jié)果

為驗(yàn)證所提混合逆變器驅(qū)動(dòng)阻感負(fù)載的性能，在MATLAB/Simulink平臺(tái)進(jìn)行了仿真分析，并和電子逆變器進(jìn)行了對(duì)比。

仿真參數(shù)：采用碳刷，機(jī)械換向器和輔助滑環(huán)與電刷的接觸電阻Rm=0.2 Ω。緩沖電容值C=3.3 μF，電容內(nèi)阻1 mΩ。二極管(DSEC16-06A)功率損耗參數(shù)：門(mén)檻電壓UF0=1.03 V；斜率電阻rF=25.1 mΩ。負(fù)載電阻RL=30 Ω，負(fù)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(qū)動(dòng)三相阻感負(fù)載的仿真結(jié)果如圖4所示。如圖4(a)所示三相電流波形，每相繞組實(shí)現(xiàn)了120°導(dǎo)通。圖4(b)所示為輸出線電壓，由于續(xù)流電路作用，電壓波形雖然在續(xù)流階段發(fā)生變形，但無(wú)過(guò)電壓出現(xiàn)。圖4(c)和4(d)分別為緩沖電容的電壓、電流。某一相正向續(xù)流期間，電容電壓緩慢上升到電源電壓，反向續(xù)流期間，電容電壓緩慢下降到零。

圖4 混合逆變器驅(qū)動(dòng)阻感負(fù)載時(shí)仿真波形

3 三相方波永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)

3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載的系統(tǒng)框圖如圖5所示。對(duì)比圖3可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單，混合逆變器的電刷直接和被驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，不需要輔助小功率電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)部分，也不需要位置傳感器檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。直流電源UDC經(jīng)DC-DC調(diào)壓即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，對(duì)于不需要調(diào)速的系統(tǒng)，UDC直接供電。另外，電機(jī)轉(zhuǎn)速不需要速度傳感器來(lái)測(cè)量，可直接通過(guò)續(xù)流電路中電容電壓ucp的頻率fcp計(jì)算得到

圖5 混合逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)系統(tǒng)框圖

(6)

3.2 方波永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真結(jié)果

方波永磁同步電機(jī)參數(shù)：額定電流In=5 A；極對(duì)數(shù)p=2；額定電磁轉(zhuǎn)矩Tn=3 N·m；額定轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)三相方波永磁同步電機(jī)的仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 混合逆變器驅(qū)動(dòng)方波永磁同步電機(jī)時(shí)仿真波形

三相電流仿真波形如圖6(a)所示，每相繞組實(shí)現(xiàn)了120°導(dǎo)通。導(dǎo)通相在其它相換向期間電流下降，這是由于電機(jī)電感較大，開(kāi)始導(dǎo)通相電流的上升慢于關(guān)斷相電流的下降。相電流下凹是無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中十分普遍的現(xiàn)象。如圖6(b)和6(c)所示，轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩紋波較小。混合逆變器驅(qū)動(dòng)的三相方波永磁同步電機(jī)各項(xiàng)性能均達(dá)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(jī)驅(qū)動(dòng)

4.1 120°和150°方波對(duì)比

方波永磁同步電機(jī)采用120°方波驅(qū)動(dòng)，但正弦波永磁同步電機(jī)需要正弦波驅(qū)動(dòng)。通過(guò)圖7的波形對(duì)比和圖8的諧波對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，120°方波雖然無(wú)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(duì)稱(chēng)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(qū)動(dòng)正弦波永磁同步電機(jī)，這也符合交流電機(jī)繞組設(shè)計(jì)中依靠5/6短距系數(shù)來(lái)降低5、7次諧波的思想。

圖7 方波波形對(duì)比

圖8 方波諧波對(duì)比

4.2 三相正弦波永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真結(jié)果

三相正弦波永磁同步電機(jī)參數(shù)：定子電阻R=18.7 Ω；定子電感Ld=Lq=26.82 mH；極對(duì)數(shù)p=2；磁鏈ψf=0.171 7 Wb；額定電磁轉(zhuǎn)矩Tn=0.8 N·m；額定轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)三相正弦波永磁同步電機(jī)的仿真結(jié)果對(duì)比如圖9、10和11所示。

圖9 三相永磁同步電機(jī)仿真波形

圖10 三相永磁同步電機(jī)定子磁鏈

電子逆變器驅(qū)動(dòng)下電機(jī)相電流為正弦波，定子磁鏈為圓形，轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)極小，適合高性能控制系統(tǒng)?；旌夏孀兤黩?qū)動(dòng)下相電流接近正弦波，磁鏈近似為六邊形，轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)稍大，適用于對(duì)轉(zhuǎn)矩精度要求不是特別高的應(yīng)用中。但其相較于方波永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō)在轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性上仍有優(yōu)勢(shì)。圖11給出了混合逆變器驅(qū)動(dòng)下電機(jī)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(jī)諧波

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證所提混合逆變器的有效性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。混合逆變器簡(jiǎn)易樣機(jī)實(shí)物如圖12所示。圖12(b)中續(xù)流電路包括4支二極管(DSEC16-06A)和一個(gè)3.3 μF的CBB電容。圖12(c)中外圍3個(gè)電刷為換向電刷，里面3個(gè)為輔助電刷，并通過(guò)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(jī)械換向器和輔助滑環(huán)，最外面一環(huán)為兩個(gè)換向片組構(gòu)成的機(jī)械換向器，里面3個(gè)為輔助滑環(huán)。

圖12 混合逆變器實(shí)物圖

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)主要目的在于驗(yàn)證混合逆變器換向過(guò)程中抑制電弧效果。對(duì)于混合逆變器輸出側(cè)電刷來(lái)說(shuō)，阻感負(fù)載具有和永磁同步電機(jī)相似的電壓、電流特性[9]，且容易測(cè)量和調(diào)節(jié)，因此實(shí)驗(yàn)中混合逆變器用于驅(qū)動(dòng)三相阻感負(fù)載。

電刷轉(zhuǎn)速越高，其與電源換向片間的絕緣強(qiáng)度上升得越快，就越不容易產(chǎn)生電弧。所以為了驗(yàn)證起弧情況，實(shí)驗(yàn)中使輔助小功率電機(jī)工作在較低轉(zhuǎn)速，約為500 r/min。換向器包含兩個(gè)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(fù)載電阻RL=30 Ω，負(fù)載電感LL=10 mH。

混合逆變器實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)果基本一致。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中雖然電刷邊緣有小部分有微弱的點(diǎn)狀火花，按照國(guó)標(biāo)GB/T 755-1987《旋轉(zhuǎn)電機(jī) 基本技術(shù)要求》中火花等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[22]，約為1·1/4級(jí)，但無(wú)電弧產(chǎn)生，混合逆變器正常運(yùn)行。另外，在不采用續(xù)流電路的對(duì)比實(shí)驗(yàn)中電弧明顯，且很快燒毀電刷，比火花等級(jí)中的3級(jí)更嚴(yán)重。

圖13 混合逆變器驅(qū)動(dòng)阻感負(fù)載時(shí)實(shí)驗(yàn)波形

5.3 效率分析

由于混合逆變器在驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載時(shí)不需要輔助小功率電機(jī)，所以在效率分析時(shí)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(jù)兩表法測(cè)量三相功率原理可知PABC為三相瞬時(shí)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(jī)帶動(dòng)電刷在轉(zhuǎn)速分別為500 r/min和700 r/min條件下的效率測(cè)量結(jié)果分別如表1和表2所示。實(shí)驗(yàn)中效率最高為98.9%，最低為95.6%。

表1 轉(zhuǎn)速500 r/min時(shí)混合逆變器實(shí)驗(yàn)效率

表2 轉(zhuǎn)速700 r/min時(shí)混合逆變器實(shí)驗(yàn)效率

6 結(jié) 論

本文提出了一種用于永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的新型機(jī)械-電子混合逆變器，主要結(jié)論如下：

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

2)混合逆變器實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)：120°方波驅(qū)動(dòng)的方波永磁同步電機(jī)各項(xiàng)性能均達(dá)到了和電子逆變器相當(dāng)?shù)乃剑?50°方波驅(qū)動(dòng)的三相正弦波永磁同步電機(jī)相電流諧波較小，電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)雖然比電子逆變器驅(qū)動(dòng)時(shí)更大，但仍小于方波永磁同步電機(jī)。

3)混合逆變器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低和效率高等優(yōu)點(diǎn)，但受限于續(xù)流電路中二極管單向?qū)щ娦?，只能?shí)現(xiàn)電機(jī)的單向驅(qū)動(dòng)?？梢钥紤]用于風(fēng)機(jī)泵類(lèi)等單向運(yùn)行的負(fù)載。