多相变频调速技术的现状和发展方向

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1、多相变频调速技术的现状和发展方向目前中大功率交流传动系统的用电量占所有电气传动系统用电量的70%，另外由于电压源型逆变器具有功率因素高的优点，所以采用中大容量电压源型逆变器的电气传动系统受到人们的特别关注[1]。但是由于电力电子功率器件功率等级的限制，目前两电平电压源型逆变器的功率等级还只限于大功率的低端[2]。为了实现大功率电压源型逆变器电气传动系统，多电平结构在供电电压为中高压的场合得到了广泛应用。但在供电电压本身受限制的大功率应用场合，例如水下舰船电力推进，则必须寻求其它的结构形式。此外人们对电气传动系统可靠性也提出了更高的要求，希望系统具有更好的容错运行能力。为了在较低电

2、压下实现同样功率等级的交流传动系统，并提高系统可靠性，多相电机的变频调速系统作为大功率、高可靠性驱动系统的解决方案之一应运而生。在二十世纪80年代以前，当时的技术条件严重束缚了多相电机驱动系统的研究与应用。直到近二三十年来，现代电力电子技术、微电子技术和现代电机控制理论的迅速发展使得高性能多相电机驱动系统的实现成为可能，其优势才得以充分发挥，应用范围迅速扩大。例如在舰船推进中，全电力推进是今后舰船推进方式的发展趋势，而多相电机驱动系统的变频调速技术是其中的关键技术之一。对多相变频调速技术的研究必将大大促进我国舰船推进技术的发展。此外，多相电机变频调速技术也特别适合于应用在电动汽车

3、、航空航天、军事、核反应堆供水等应用场合。2多相变频调速系统的优点实际上，多相技术与多电平技术可以看作是一个问题的两个方面。要输出同样的功率，或者提高电压、降低电流，或者降低电压、提高电流。多相变频调速系统的核心竞争力主要表现以下几个方面[3]：（1）在船舶电力推进，轨道交通等供电电压等级受限制的场合，采用多相电机驱动系统是实现低压大功率传动的有效途径。在多相系统中，因为降低电压而增大的电流被分配到增加的相绕组中，此时，驱动系统中的中大功率逆变器可以采用目前电流等级的功率器件就能实现，同时也避免了选用小电流功率器件并联引起的均流问题。而且，采用低压实现大功率还避免了功率器件串连带

4、来的静态及动态均压问题。（2）由于相数冗余，当多相电机驱动系统中的电机或者多相逆变器的一相甚至几相发生故障时，可以将其断开，系统仍可输出一定功率。虽然增加相数理论上提高了系统发生故障的几率，但是发生故障后，驱动系统仍能继续工作，可靠性大大提高，因此多相电机驱动系统特别适合于高可靠性要求的场合，如潜艇动力系统、核电站水冷系统、战车驱动系统、航空航天等。（3）由于电机相数增加，输出转矩脉动减小、脉动频率增加，所以驱动系统低速特性得到很大的改善，振动和噪音大大减小。研究表明，相数越多，效果越好。因此，多相变频调速系统也特别适合用于大功率精密传动场合，如轧钢、造纸等。（4）与三相电机相比

5、，多相电机有更多的控制资源和潜能。例如对于一台15相电机，当采用15相全桥供电时，电压空间矢量多达32768个，这在理论上为矢量控制和直接转矩控制等高性能的控制方法提供了充分的控制资源。（5）在某些场合采用多相变频调速系统可以降低成本。在大功率电机驱动系统中，多相逆变器可以采用低成本的低压IGBT，且器件不需直接并联或串联，对功率器件特性的一致性无要求；直流环节中采用低压电容，成本也远低于高压电容，而且直流电容的容量要远小于三相系统，因此按照目前的电力电子器件技术水平，采用多相变频调速技术，成本也会有较大程度的降低。国内外研究现状3.1国外研究历史及现状自从二十世纪80年代，以美

6、国为代表的各发达国家的研究人员持续开展了对多相电动机变频调速技术的研究。在美国，有代表性的研究机构有威斯康星-麦迪逊大学(UniversityofWisconsin-Madison)、德州农机大学(TexasA&MUniversity)等。英、法、德、日、韩等国的研究人员也取得了丰硕的成果。相关的研究内容主要集中在以下几个方向：3.1.1多相变频调速系统的矢量控制策略;早期人们认为多相电机的矢量控制与三相电机类似，只要将三相/两相变换改为多相/两相变换就可以借用三相电机的磁场定向控制策略。但是实践表明，只控制d-q轴电流，在采用多步法或传统SVPWM控制时，电机定子电流中

7、有较大的谐波电流[4]-[5]。这种做法忽视了推广派克变换中d-q以外其他平面内的电压矢量的作用，当这些电压矢量与较小的高次谐波自感相互作用，可以产生幅值很大的谐波电流。为了抑制电流谐波，Y.Zhao和T.A.Lipo等人于90年代中后期从矢量空间分解的角度出发提出了空间电压矢量分解控制方法，应用于绕组正弦分布相移30°的6相感应电机变频调速系统中[6]-[7]。该方法通过适当的坐标变化，将自然坐标系下六维空间中的电压矢量映射到新基下的六维空间，新的一组基形成三个相互正交的二维子