多相變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向

1、多相變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向目前中大功率交流傳動系統(tǒng)的用電量占所有電氣傳動系統(tǒng)用電量的70%，另外由于電壓源型逆變器具有功率因素高的優(yōu)點(diǎn)，所以采用中大容量電壓源型逆變器的電氣傳動系統(tǒng)受到人們的特別關(guān)注1。但是由于電力電子功率器件功率等級的限制，目前兩電平電壓源型逆變器的功率等級還只限于大功率的低端2。為了實(shí)現(xiàn)大功率電壓源型逆變器電氣傳動系統(tǒng)，多電平結(jié)構(gòu)在供電電壓為中高壓的場合得到了廣泛應(yīng)用。但在供電電壓本身受限制的大功率應(yīng)用場合，例如水下艦船電力推進(jìn)，則必須尋求其它的結(jié)構(gòu)形式。此外人們對電氣傳動系統(tǒng)可靠性也提出了更高的要求，希望系統(tǒng)具有更好的容錯(cuò)運(yùn)行能力。為了在較低電壓下實(shí)現(xiàn)同樣功率等級的

2、交流傳動系統(tǒng)，并提高系統(tǒng)可靠性，多相電機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)作為大功率、高可靠性驅(qū)動系統(tǒng)的解決方案之一應(yīng)運(yùn)而生。在二十世紀(jì)80年代以前，當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件嚴(yán)重束縛了多相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。直到近二三十年來，現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代電機(jī)控制理論的迅速發(fā)展使得高性能多相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為可能，其優(yōu)勢才得以充分發(fā)揮，應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。例如在艦船推進(jìn)中，全電力推進(jìn)是今后艦船推進(jìn)方式的發(fā)展趨勢，而多相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的變頻調(diào)速技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。對多相變頻調(diào)速技術(shù)的研究必將大大促進(jìn)我國艦船推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。此外，多相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)也特別適合于應(yīng)用在電動汽車、航空航天、軍事、核反應(yīng)堆供水等應(yīng)用

3、場合。2 多相變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 實(shí)際上，多相技術(shù)與多電平技術(shù)可以看作是一個(gè)問題的兩個(gè)方面。要輸出同樣的功率，或者提高電壓、降低電流，或者降低電壓、提高電流。多相變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心競爭力主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面3：（1）在船舶電力推進(jìn)，軌道交通等供電電壓等級受限制的場合，采用多相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)低壓大功率傳動的有效途徑。在多相系統(tǒng)中，因?yàn)榻档碗妷憾龃蟮碾娏鞅环峙涞皆黾拥南嗬@組中，此時(shí)，驅(qū)動系統(tǒng)中的中大功率逆變器可以采用目前電流等級的功率器件就能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也避免了選用小電流功率器件并聯(lián)引起的均流問題。而且，采用低壓實(shí)現(xiàn)大功率還避免了功率器件串連帶來的靜態(tài)及動態(tài)均壓問題。（2）由于相數(shù)冗余，當(dāng)多相

4、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的電機(jī)或者多相逆變器的一相甚至幾相發(fā)生故障時(shí)，可以將其斷開，系統(tǒng)仍可輸出一定功率。雖然增加相數(shù)理論上提高了系統(tǒng)發(fā)生故障的幾率，但是發(fā)生故障后，驅(qū)動系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作，可靠性大大提高，因此多相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)特別適合于高可靠性要求的場合，如潛艇動力系統(tǒng)、核電站水冷系統(tǒng)、戰(zhàn)車驅(qū)動系統(tǒng)、航空航天等。（3）由于電機(jī)相數(shù)增加，輸出轉(zhuǎn)矩脈動減小、脈動頻率增加，所以驅(qū)動系統(tǒng)低速特性得到很大的改善，振動和噪音大大減小。研究表明，相數(shù)越多，效果越好。因此，多相變頻調(diào)速系統(tǒng)也特別適合用于大功率精密傳動場合，如軋鋼、造紙等。（4）與三相電機(jī)相比，多相電機(jī)有更多的控制資源和潛能。例如對于一臺15相電機(jī)，當(dāng)采用

5、15相全橋供電時(shí)，電壓空間矢量多達(dá)32768個(gè)，這在理論上為矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能的控制方法提供了充分的控制資源。（5）在某些場合采用多相變頻調(diào)速系統(tǒng)可以降低成本。在大功率電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，多相逆變器可以采用低成本的低壓IGBT，且器件不需直接并聯(lián)或串聯(lián)，對功率器件特性的一致性無要求；直流環(huán)節(jié)中采用低壓電容，成本也遠(yuǎn)低于高壓電容，而且直流電容的容量要遠(yuǎn)小于三相系統(tǒng)，因此按照目前的電力電子器件技術(shù)水平，采用多相變頻調(diào)速技術(shù)，成本也會有較大程度的降低。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3.1 國外研究歷史及現(xiàn)狀自從二十世紀(jì)80年代，以美國為代表的各發(fā)達(dá)國家的研究人員持續(xù)開展了對多相電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究。在美

6、國，有代表性的研究機(jī)構(gòu)有威斯康星-麥迪遜大學(xué)(University of Wisconsin-Madison)、德州農(nóng)機(jī)大學(xué)(Texas A&M University)等。英、法、德、日、韓等國的研究人員也取得了豐碩的成果。相關(guān)的研究內(nèi)容主要集中在以下幾個(gè)方向： 多相變頻調(diào)速系統(tǒng)的矢量控制策略; 早期人們認(rèn)為多相電機(jī)的矢量控制與三相電機(jī)類似，只要將三相/兩相變換改為多相/兩相變換就可以借用三相電機(jī)的磁場定向控制策略。但是實(shí)踐表明，只控制d-q軸電流，在采用多步法或傳統(tǒng)SVPWM控制時(shí)，電機(jī)定子電流中有較大的諧波電流4-5。這種做法忽視了推廣派克變換中d-q以外其他平面內(nèi)的電壓矢

7、量的作用，當(dāng)這些電壓矢量與較小的高次諧波自感相互作用，可以產(chǎn)生幅值很大的諧波電流。為了抑制電流諧波，Y. Zhao和T. A. Lipo等人于90年代中后期從矢量空間分解的角度出發(fā)提出了空間電壓矢量分解控制方法，應(yīng)用于繞組正弦分布相移30°的6相感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中6-7。該方法通過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變化，將自然坐標(biāo)系下六維空間中的電壓矢量映射到新基下的六維空間，新的一組基形成三個(gè)相互正交的二維子空間，從而可以在每個(gè)子空間中控制電壓矢量，而且每一個(gè)子空間中的分量對應(yīng)于電機(jī)變量中一定次數(shù)的諧波。傳統(tǒng)三相電機(jī)的矢量控制只需處理d-q空間的物理量，而在多相電機(jī)中，為了實(shí)現(xiàn)更好的控制效果，必須對諧

8、波電流加以控制。6相感應(yīng)電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)框圖如圖1所示?？梢钥吹?，此時(shí)矢量控制中變換矩陣、電流調(diào)節(jié)器等組成部分都要由兩維擴(kuò)展到多維。那么隨著相數(shù)的增加，必然會帶來算法復(fù)雜度增加的問題。 多相電機(jī)容錯(cuò)控制故障運(yùn)行和容錯(cuò)控制策略研究是多相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)研究中的重要內(nèi)容之一。T. M. Jahns8對多相冗余系統(tǒng)某一相開路和短路時(shí)電機(jī)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明一個(gè)適當(dāng)冗余的多相系統(tǒng)，在損失一相定子繞組后，不會顯著影響電機(jī)的平衡勵(lì)磁，相數(shù)越多，缺相的影響越小。J. R. Fu、L. Parsa和Toliyat. H. A等將T. A. Lipo等將三相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)容錯(cuò)控制中的方法推廣到了五相

9、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 9-11，并提出了一種較為通用的容錯(cuò)算法。分析了電機(jī)發(fā)生故障后為了保持電機(jī)圓形氣隙旋轉(zhuǎn)磁場定子相電流要滿足的條件，通過電流滯環(huán)控制實(shí)現(xiàn)電流的跟蹤，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的無擾運(yùn)行，控制框圖如圖2所示。Y. Zhao和T. A. Lipo等1213采用空間電壓矢量分解控制方法實(shí)現(xiàn)了缺一相時(shí)六相感應(yīng)電機(jī)的的磁場定向控制。這種方法的主要思想是建立了非對稱感應(yīng)電機(jī)的多維解耦模型，通過解耦變換和非對稱的旋轉(zhuǎn)變化，將非對稱的電機(jī)模型變換成了解耦的對稱的電機(jī)模型，從而可以方便地使用對稱情況下的電機(jī)矢量控制。 多相變頻調(diào)速系統(tǒng)變流技術(shù)多相變頻調(diào)速系統(tǒng)中人們研究較多的變流技術(shù)包括兩個(gè)主要部分，一是脈寬調(diào)制技術(shù)

10、，二是電流控制技術(shù)。（1） 脈寬調(diào)制技術(shù) 基于空間矢量分解的矢量控制策略由于要同時(shí)控制兩個(gè)空間中的電流，必須采用多維的SVPWM方法才能實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)6中也給出了相應(yīng)的SVPWM調(diào)制策略。但是這種方法一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)某一相橋臂上開關(guān)管重復(fù)開關(guān)，增加了開關(guān)損耗和實(shí)現(xiàn)的難度；之后，研究者們在這種方法的基礎(chǔ)上作了很多改進(jìn)，1315利用z1-z2空間中的3次諧波電流成功地在5相永磁同步電機(jī)中注入了三次諧波電流，使得電流波形近似于方波，提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。18在分析了多相橋式逆變器各個(gè)開關(guān)周期的穩(wěn)態(tài)等效電路之后，得出了較為通用的選取SVPWM的電壓矢量的方法，用這種方法可以保證在抑制除基波以外的其他高次諧波

11、的同時(shí)獲得最大的電壓利用率，并且保證所有開關(guān)在一個(gè)采樣周期內(nèi)置開關(guān)一次。但這種方法仍未解決隨著相數(shù)的增長，控制方法趨向復(fù)雜的問題。（2） 均流技術(shù)在18中證明了在兩個(gè)逆變器使用同一個(gè)參考電壓矢量的情況下，在兩套三相繞組的參數(shù)不相同的情況下，會導(dǎo)致6相電流不平衡，必須通過均流方法加以抑制。他們提出了一種同時(shí)引入兩套三相繞組的定子電流反饋的方法來解決這一問題。這種方法雖然也采用磁場定向控制的常用方法計(jì)算參考電壓矢量，但是計(jì)算后得到的值要根據(jù)每組三相繞組定子電流的反饋量進(jìn)行調(diào)節(jié)。在分別引入了兩組三相繞組的定子電流的反饋之后，特定工況下出現(xiàn)的6相電流不對稱的情況有了很大改善，如圖3。這種方法是一種解決

12、三相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中由于參數(shù)所導(dǎo)致的電流不平衡的辦法的推廣，實(shí)際上提高了電流調(diào)節(jié)器的復(fù)雜程度。雖然目前可以在工程上解決電流不平衡現(xiàn)象，但對多相電機(jī)中該現(xiàn)象的產(chǎn)生原因和機(jī)理尚有待進(jìn)一步研究。諧波電感在其中扮演的角色需要進(jìn)一步明確。3.2 國外工業(yè)應(yīng)用概況在工程應(yīng)用中，中大功率的多相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了成功的應(yīng)用。特別是在艦船電力推進(jìn)領(lǐng)域，美、英、德等國投入巨資進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究，將其運(yùn)用于下一代艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)中。美國海軍于1986年提出“海上革命”計(jì)劃，內(nèi)容涉及綜合電力推進(jìn)和綜合電力系統(tǒng)兩種方案，及水面戰(zhàn)艦與水下潛艇兩方面的應(yīng)用。表1為兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域項(xiàng)目實(shí)施中選用的推進(jìn)電機(jī)方案。美國“海上革命”

13、計(jì)劃中選用的典型多相推進(jìn)電機(jī)英國海軍自從“23”型護(hù)衛(wèi)艦采用柴電燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)后，又提出了更適合護(hù)衛(wèi)艦的綜合全電力推進(jìn)（IFEP）方案。在項(xiàng)目中采用了6相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。德國西門子公司在大功率多相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的商業(yè)化方面走得最遠(yuǎn)。該公司生產(chǎn)的經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的12相永磁同步電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，已經(jīng)批量裝備在德國U212級，U214級常規(guī)動力潛艇上。西門子在電機(jī)-逆變器系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)方面做了大量工作，Permasyn系列19推進(jìn)系統(tǒng)將逆變器安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部空間（如圖4），大大減小了安裝體積，提高了系統(tǒng)功率密度。3.3 國內(nèi)研發(fā)情況在國內(nèi)，多相交流勵(lì)磁機(jī)多年前就已得到實(shí)際應(yīng)用20；多相交直流混合輸

14、出發(fā)電機(jī)的研究和應(yīng)用也已經(jīng)達(dá)到國際先進(jìn)水平20，但是在多相傳動領(lǐng)域的研究工作開展得比較晚。目前，中國船舶重工集團(tuán)712研究所、武漢海軍工程技術(shù)大學(xué)、華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)、清華大學(xué)、中科院電工所、西安交通大學(xué)、北京凱奇公司以及哈爾濱工業(yè)大學(xué)等對多相電機(jī)傳動系統(tǒng)都進(jìn)行了大量的研究工作，取得的成果如下：武漢712研究所針對多相電機(jī)在艦船推進(jìn)中的應(yīng)用做了大量的研究工作，并開始了試驗(yàn)船的設(shè)計(jì)，推進(jìn)電機(jī)為1MW的多相異步電機(jī)（成都佳靈電氣制造有限公司做了次無名英雄，712的技術(shù)其實(shí)就是他們公司提供的13相變頻器的翻版，制造中國注），針對大功率多相永磁同步電機(jī)的研究也已開展。華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)和北

15、京凱奇公司在項(xiàng)目上有一定的合作，以數(shù)控機(jī)床等工業(yè)應(yīng)用場合為背景對15相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究1。整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)差型直接轉(zhuǎn)矩控制，并將三相載波形PWM方法推廣到多相。該方法也被應(yīng)用到六相感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)以離心機(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)的研制為背景，對15相無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究23。他們對電機(jī)的故障運(yùn)行進(jìn)行了分析，提出了兩種容錯(cuò)控制方法。為了能獨(dú)立控制每相電流和實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，系統(tǒng)主回路采用了每相獨(dú)立H橋的拓?fù)洹Ｕ憬髮W(xué)從上個(gè)世紀(jì)90年代起開始與武漢船舶重工712研究所合作研制六相200kW推進(jìn)用永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。與上海電機(jī)廠合作進(jìn)行大型艦船推進(jìn)用十五相感應(yīng)電機(jī)傳動系統(tǒng)的

16、研究。07年開始進(jìn)行多相無軸承感應(yīng)電機(jī)傳動系統(tǒng)的研究。作者所在的中國科學(xué)院電工研究所電動汽車實(shí)驗(yàn)室在2005年已經(jīng)研制出了25kW的5相永磁同步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，并通過3次諧波注入提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度14。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了對12、15相永磁電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。研制了可用于多相電機(jī)或多電機(jī)控制的基于FPGA技術(shù)的300kVA 15相變頻器，實(shí)物如圖5所示。300kVA 15相變頻器總之，目前國內(nèi)的技術(shù)水平和應(yīng)用情況與國外相比有較大的差距，但近年來多相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)已引起了各方的高度重視。未來發(fā)展方向 從國內(nèi)外對多相變頻調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)情況來看，未來一段時(shí)間，該領(lǐng)域主要的研究

17、方向和發(fā)展趨勢大致包括以下幾點(diǎn)。（1） 更實(shí)用的多相變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方法在多相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中不同諧波子空間中的變量影響著電機(jī)定子電流中諧波含量，因此要想提高控制性能必須對這些諧波精確加以控制。通常的做法是增加其他子空間中的電流調(diào)節(jié)器，擴(kuò)展變換矩陣的維數(shù)。這樣做的代價(jià)是提高了控制算法的復(fù)雜度，可能會增加硬件成本，導(dǎo)致控制性能惡化。因此，研究更加實(shí)用的多相變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方法將成為多相電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)內(nèi)容。（2） 更可靠的容錯(cuò)控制雖然國內(nèi)外已經(jīng)有很多研究者對多相變頻調(diào)速系統(tǒng)的容錯(cuò)控制開展了大量研究，但是在多相容錯(cuò)理論方面收效不大。多數(shù)工業(yè)的解決方案都是基于特殊的電機(jī)或逆變器結(jié)

18、構(gòu)，如繞組獨(dú)立H橋逆變器等。對容錯(cuò)算法的有效性和可靠性缺乏分析手段。因此，在未來一段時(shí)間，容錯(cuò)控制仍將是一個(gè)主要的研究方向。（3） 應(yīng)用領(lǐng)域向中小功率擴(kuò)展 目前，雖然多相變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用場合還是大功率傳動，但是已經(jīng)出現(xiàn)向中小功率擴(kuò)展的傾向。在某些極限工況的中小功率傳動，如電動汽車的集成飛輪啟動發(fā)電機(jī)等場合，多相變頻調(diào)速系統(tǒng)的低相電壓、低相電流、低成本和高可靠性的特點(diǎn)具有更好的適用性。（4） 多電平多相變頻調(diào)速系統(tǒng) 多相電機(jī)與多電平逆變器的結(jié)合能夠同時(shí)突破單個(gè)功率器件的電壓和電流限制，在現(xiàn)有電力電子技術(shù)水平下實(shí)現(xiàn)超大功率的電壓源逆變器變頻調(diào)速系統(tǒng)?？偨Y(jié) 多相電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)

19、，雖然現(xiàn)階段仍有一些缺點(diǎn)和技術(shù)上的困難，但它的優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見的。電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制理論的不斷發(fā)展，必將對多相電機(jī)技術(shù)起到極大的推動作用，多相電機(jī)的應(yīng)用范圍必將更加廣泛。現(xiàn)階段在我國對多相變頻調(diào)速系統(tǒng)開展深入而廣泛的研究，具有十分重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。參考文獻(xiàn) 1 莊朝暉. 多相感應(yīng)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng). 博士學(xué)位論文，華中科技大學(xué)，2001;2 馬小亮. 大功率交交變頻調(diào)速及矢量控制. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998 3 薛山, 溫旭輝. 一種新穎的多相SVPWM. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2006,2 4 E. E. Ward, H. Haerer, “Preliminary Investig

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