双星电机的应用

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1、中国北车集团电力牵引研发中心双星形感应电动机基本原理、控制方法与应用0前言近年来，感应式异步电动机驱动装置在牵引及工业控制领域得到越来越广泛的应用，这些技术的发展取决于工业半导体技术的进步，但是，在某些特定的情况下，例如在大功率场合，变流器的功率等级仍然受到功率半导体器件电压或电流的限制。与目前已得到广泛应用的多电平变流器驱动系统一样，多相电机变流器驱动系统也是采用低压标准功率器件实现高压大功率等级的一种有效手段。多相电机变流器驱动系统除了具有大功率处理能力以外，多相冗余结构同样具有改善系统可靠性的作用，在损失一相或几相的情况下，不会影响调速系统的起动和运

2、行，只需降载运行而不必停机。目前，在多相感应式异步电动机结构中具有代表性的是六相异步电动机，或称双Y相移30°电动机，在部分文献中也称Double-Star电动机（以下简称双星形电动机）。双星形电动机可通过将传统的三相电动机定子绕组分裂为两个相等的、空间互差30°（电角度）的三相绕组来实现。双星形电动机传动系统和普通三相电动机传动系统相比具有以下优点：l用低压器件实现大功率。在三相系统中，较大容量的电动机电压都较高，调速对应的是高压变频器。而双星形电机驱动系统通过增加电机的相数，实现低压大容量，从而可以采用低压变频器，避免功率器件的串联。特别适合无法得到高

3、压，但需要输出大功率的场合。l在供电电压受限时，可用单管实现大容量。在供电电压受限的场合中（如战车、电力机车等），为了得到较大功率的变频调速设备，每相输出电流幅值较高，而这又受到功率器件的限制，实际应用中往往采用多管并联的方法。在双三相电机系统中，相电流峰值减小，单管就可以满足要求。l转矩脉动减小，系统的动、静特性提高。采用双三相电机系统能够消除三相电动机传动系统中常见的6次转矩脉动，转矩脉动的最低次数升高，幅值下降；稳态转矩脉动较小，从而降低系统的机械共振，降低电机的运行噪音。l空间谐波最低次数整大，幅值减小，在转子上感应出转子电流的谐波分量相应的最小频

4、率整大、幅值降低，使转子损耗降低。l逆变器供电时，直流母线谐波电流较低，可以减小输入电路的滤波器。l对于同体积的电机，双星形电机每安培的转矩输出提高。共4页第4页中国北车集团电力牵引研发中心l当一台变流器出现故障时，双星形电机可以在降载的情况下继续运行。双星形电动机传动系统和普通三相电动机传动系统相比具有以下缺点：l电源进线数量多，给工业现场的使用带来一定的困难。但由于双星形电机系统相电压较低，电缆线绝缘要求低，因而线径小，便于处理。l双三相电机系统突破了供电电源相数的限制，需要两台变频器供电，导致功率器件的数量增加，一方面降低了系统的可靠性，部分程度上抵

5、消了双三相电机本身高可靠性的优势。l双三相电机相数的增多，导致每相定子绕组的串联匝数减少，定子漏感较小；在非正弦供电时（如变频器供电），定子谐波电流增加，因而定子损耗加大，发热加剧。由于双三相系统（多相系统）具有上述诸多优点，各国科技人员从多个方面对其展开了研究。早在20世纪70年代初，为了提高电力传输系统的总容量，多相系统得到了广泛的研究。后来，多相励磁发电机组很快就从理论研究走向实际应用。显而易见，变频调速系统的产生是多相电机出现、发展的直接动因。在20世纪70年代初，R.H.Nelson和P.C.Krause首先对双三相电机进行了计算机仿真，结果发现

6、尽管消除了通常存在于三相电机中的6次谐波脉动，但定子谐波电流幅值增加。20世纪80年代初，T.M.Jahns的试验证明多相电机系统具有较高的可靠性。进入20世纪90年代，Lipo等人对多相电机系统展开了从电机设计到多相变频调速算法多方面的深入研究。目前，多相变频调速系统主要的应用领域有三个：l系统可靠性要求很高的场合。在潜艇的动力系统、核电站水冷系统、战车的牵引系统等。在系统出现缺相故障时，系统可以继续运行而不必停车，从而大大提高了系统的可靠性。l低压大功率的传动场合。l大功率精密传动场合。多相变频调速系统由于其转矩脉动小，转速平稳，转矩响应快，因而适用于

7、轧钢等对速度控制精度要求很高的场合。1双星感应电动机基本原理双星形异步电机可以通过改变三相异步电机的定子绕组的端部连线，并在出线盒里增加三个出线端即可获得。通常是将三相异步电机按星形连接的60°相带绕组等分成两个相带，得到两组互差30°电角度、中点隔离的对称三相绕组，其转子采用与三相异步电机相同的标准鼠笼型结构，这时电机内部定子槽沿内圆对极距内等分为十二个相带，每一相带宽度为30°电角度。共4页第4页中国北车集团电力牵引研发中心2双星感应电动机基本控制方法Lipo于20世纪80年代初，建立了基于CSI（电流型逆变器）的6相电机的d-q-o系统模型，该模型考

8、虑了齿谐波的影响。Andersen和Biennick描述了CSI供