英语原文共 9 页

电力系统研究61（2002）139-147

www.elsevier.com/locate/epsr

多相感应电机驱动研究-a调查

GKSingh*

电气工程，印度理工学院，鲁尔基，北安查尔邦247667，印度

收录于2001年7月19日;自2001年10月6日收到修订;2001年12月20日接受

简介

由于在传输中使用高于3相序所带来的潜在益处，在多相电机领域也有一些研究乐趣。对于机器驱动应用，多相系统可能满足对高功率电驱动系统的需求，这些系统既坚固又节能。高相位驱动器具有优于传统三相驱动器的几个优点，例如：降低振幅和增加转矩脉动频率，降低转子谐波电流，减少每相电流而不增加每相电压，降低直流电压在同一帧中链接电流谐波，更高的可靠性和更高的功率。高阶相序驱动可能仍然限于需要高可靠性的专用应用，例如电动/混合动力车辆，航空航天应用，船舶推进和高功率应用，其中几个固态设备的组合形成驱动器的一个支路。在过去的二十年中，该研究一直在研究与使用多相电机作为传统三相电机的潜在替代品相关的各种问题。因此，本文回顾了多相感应电机驱动器研发成果自成立以来取得的进展。试图突出当前和未来涉及发展的问题多相感应电机驱动技术，适合未来应用。copy;2002ElsevierScienceBV版权所有保留。

关键词：分析;驱动;感应电动机;多阶段;造型;稳定性

1．介绍

大功率电机驱动系统已经适用于许多应用，例如泵，风扇，压缩机，轧机，水泥磨，矿井提升机等等。目前，最成功的大功率驱动系统是由交流变换器供电的电机驱动器和由电流源晶闸管逆变器供电的同步电机。电压源逆变器尽管具有能够使用低成本感应电机的优点，但由于栅极关断型半导体功率器件的限制，仍然限于高功率范围的下端。

在过去的几十年中，多级逆变器馈电电机驱动系统已经成为一种有前途的工具，可以通过电压限制器件实现高额定功率。这种系统的典型结构是三电平逆变器三相电机系统[1]。三电平电压源逆变器是串联开关型结构，其采用分压直流总线工作。每个器件上的电压应力仅为总直流总线电压的一半，因此是一倍的直流电压可以实现总线电压。与多级系统双重的并联电路基本上是多相逆变器馈电电机驱动系统。在多相机器驱动系统中，多于三相的绕组容纳在电机的同一定子中会因为机器中的每相电流减少，从而减少。在最常见的这种结构中，两组三相绕组在空间上相移30°电。在这样的系统中，每组三相定子绕组由三相逆变器激励，因此，系统的总额定功率理论上加倍。除了增强功率等级，还认为具有这种多相冗余结构的驱动系统将提高系统级的可靠性[2-6]。特别是，与普通的三相系统不同，多相机器驱动系统中的一相损失不会妨碍机器的启动和运行。本文讨论了多相感应机器驱动器研究和开发的最新讨论，强调了分析和技术方面的考虑以及文献中提到的各种问题，以实现这个新技术的实际应用。

2.概念和益处

2.1.概念和可行性学习

Ward和Harer[7]，于1969年首次对逆变器供电的五相感应电动机进行了初步研究，并建议通过增加定子相的数量来减小转矩脉动的幅度。在文献中可以找到极少数多相感应电动机的例子。Nelson和Krause[8]使用逆变器源对三种类型的六相电机进行了计算机模拟。他们发现，通过使用带30°相位带的电机，尽管峰值定子电流增加了，但消除了逆变器驱动的三相电机中经常遇到的六次谐波转矩脉动，。Danzer报道了五相电机的测试结果[9-11]。给出使用五相的原因是减小电流，使其与可用晶闸管的额定值相匹配，用于逆变器源。然而，当由逆变器供电时，发现三次谐波电流过大。已提出具有多相的电动机以获得高度可靠性。这些开发多相感应电动机的几次尝试表明它们比传统的三相感应电动机具有一些优势。

2.2．益处

多相感应电机的潜在优势源于六相电机的两个三相组之间的30°位移角，从而消除了所有气隙磁通谐波（6m士1，m=1，3，5...）。所以，所有通过这些谐波产生以及订单的所有扭矩谐波转子铜耗（6m，m=1，3，5...）被消除。重要的优势包括：即使在其多个定子相中的一个或两个开路或短路时启动和运行的能力，在相同的框架下每相较低的电流而不增加每相电压，较低的直流链路电流谐波，较高的可靠性和增加的功率。

3．分析方法

标准对称多相（三相以上）感应电机的分析在几篇文章中有所介绍[12]。然而，这不能直接应用于在多个绕组组之间具有不对称相位移的机器。相变的电压方程的推导和该转型至该d-q-Oslash;Nelson和Krause[8]报道了具有不对称相移的多相电机的参考系。Singh等人给出了两个绕组之间具有0°相位偏移的六相电机的分析。[13]。阿巴斯[14]和利波[15-17]已经报道了一种用于逆变器馈电双模三相（30°电气空间相移）感应电机驱动系统的模型。用于分析电机不平衡运行的最常用分析工具是众所周知的对称分量方法。在该方法中，在机器失去其中一个或多个阶段之后假设平衡结构。虽然它已经成功地用于正弦激励的稳态分析，但是，就机器的动力学而言，由于失去的相与机器绕组的其余部分之间的相互作用，该方法失去了它的实用性不再存在，这极大地改变了机器的动态行为。Zhao等人使用了两个单独的模型。[16,17]分析了由于开路引起的平衡和不平衡激励的机器的动态特性。这些模型没有对由此引起的不平衡状况的分析保持沉默定子端子短路。本文作者[5,6]开发了任意参考系中多相电机的双轴（d-q）模型，并详细分析了平衡下的机器，并且已经进行了不平衡（开路和短路）操作条件。在该模型中，还包括两个定子绕组之间的互漏电抗的影响，并且对于两个三相绕组之间的任何位移角度都是有效的。

4．一般命名法的说明

机器可以具有与每极对的线圈一样多的相位。假设机器的相数与定子端子或引线的数量相同，不包括中性线。然而，给定相数并不总是足够的描述，因为对于给定数量的相，基于相角度的两个可能值，两个机器版本是可能的。几乎所有三相机器都有60°相位带，但有时这些机器缠绕有120°相位带，并且具有60°版本的一些不同特性[18,19]。表1a和b包括名称，并将它们与相位角度和所需的最小定子引线数量联系起来[19]。

5．绕组布局

通过将60°相“分裂”成两个跨度为30°的部分，可以很容易地构建六相机器[8]。对于具有六个极和三十六个槽的简单机器，该技术在表2中示出。对于分相连接，绕组分配系数从三相的0.965增加到六相的1.0。表2中显示了保持相同绕组节距和分布系数[15]的“真正的”六相分布。但是，由于需要额外的线圈侧绝缘，这种“真正的”六相分布通常不如分相连接[15]。

6．多相电机中的空间谐波

圆柱形转子电机中的气隙分布包含不希望的谐波，其中包括相谐波。这些以及槽谐波在扭矩曲线中产生尖点和倾角，以便靠近整体滑移。它们有助于漏电抗和杂散负载损耗。通常选择定子线圈节距以便减小通常最大的低阶

相谐波。可以存在于磁通空间分布中的相谐波是那些，谐波次数k满足等式：

k=2qi士1（6.1）

其中，i是任何整数。

通过使用方程式找到最低阶空间谐波使用Eq（6.1）.更多相位时，最低谐波的阶数更高。例如，半12相机器在11号以下没有空间谐波。因此，不需要选择定子线圈节距来减小五次或七次谐波，这对于三相电机通常是必需的。这种消除低次谐波的可能性是多相电机的明显优势。Klingshirn在他的论文[19]中提出了关于这些谐波的详细研究。

7.多相感应电机一个相位冗余驾驶系统

基于三绕组变压器的等效电路，可以实现具有双定子绕组的多相（六相）感应电机的等效电路，如图1所示[15]。图中的公共互漏电抗表示两组三相定子绕组占据相同的槽并因此通过漏磁通的分量相互耦合的事实。注意，尽管该电路被称为“每相”，但实际上电路是用两个定子电路绘制的，每三相一组。基于Singh和Pant[5,6]开发的广义

数学模型的等效电路如图2所示。线圈间距影响定子绕组的漏抗。Lipo[15,18,20]已经详细解释了这一点并给出了寻找槽电抗的技术。标准测试程序[21]可用于确定各种机器参数。

8．相位冗余驱动系统中的多相感应电机

8.1相冗余驱动系统

基于并联冗余的一般概念[22,23]，相位冗余技术[2]依赖于一般n相交流电动机的固有能力，可以在激励许多定子相位（n-1）或更少的情况下继续工作。对该技术的优点的全面评估要求电动机定子相的数量n必须大于传统的三相，并且交流电机可能具有与每极对的线圈一样多的相，其几乎总是大于三。因此，现有的交流电动机对设计者来说没有问题;现有的线圈以最少的额外费用聚集成n相配置，而不是三个。图3是所提出的驱动配置[6]，其中每个n定子相由独立的单相驱动单元激励，或者由三个组（每个以120°位移）由多个独立的三相激励驱动单元具有可能的操作独立性，以最小化从一个单元到其他单元的物理故障传播

8.2故障分析

故障研究是设计驱动系统适当保护方案的重要步骤。可能发生的各种类型的故障随着相数的增加而增加。供电系统的类型和未激励绕组端子的阻抗是两个参数，它们共同决定了故障期间的基本驱动配置。关于光源类型，设计人员可以选择电压和电流源激励。由于相冗余系统中的每个驱动单元都具有尽可能多的操作独立性，以防止物理故障从一个单元传播到其邻居的风险，因此基本驱动器配置减少到四个离散情况，如下所示：

（i）电压源激励和输入定子相端子（VS-SC）发生的短路;

（ii）电压源激励和在输入定子相端子（VS-OC）处发生的开路;

（iii）在输入定子相端子（CS-SC）处发生电流源激励和短路;

（iv）电流源激励和开路发生在输入定子相端（CS-OC）。

对不平衡（由开路或短路引起）操作条件下的机器进行了详细分析，以研究具有不同绕组配置（0°,30°和60°移位）的机器的稳态，瞬态和动态特性许多研究人员[2,4-6,17,24]。基于等效电路表示，针对不同滑差值计算电机转矩，并针对恒定转矩运行下的平衡和不平衡运行条件的不同相数计算电机转矩，为不平衡机器的性能比较提供通用基础。条件[4,6]。对多相感应进行的各种研究[2,4-6,8,25]表明，

• 在电压源短路和电流源开路状态下，任何滑差的扭矩主要为，脉动扭矩为[]。
• 电压源开路转矩和电流源短路取决于转子滑差。
• 分析表明瞬态响应对激发频率定性不敏感。
• 两个绕组之间30°位移的机器扭矩特性得到了显着改善。扭矩脉动分量的幅度减小，主频率从供电频率的6倍变化到12倍。
• 由于消除了某些转子谐波电流，30°外壳的转子电流更加正弦
• 对于30°位移，观察到定子中更高的峰值电流。

9．稳定性分析

Rogers[26]首先认识到，在正常速度下运行非常令人满意的感应电机可能会显示出与频率相关的振荡响应。该分析基于根轨迹技术。Fallside和Wortley[27]也分析了由变频逆变器供电的感应电动机的不稳定性，忽略了谐波的影响。还报道了机器参数对系统稳定性的影响。

Lipo和Krause[28]对整流器-逆变器感应电动机驱动系统进行了稳定性研究，忽略了定子电压谐波并使用了奈奎斯特稳定性判据。Cornell和Lipo[29]已经使用传递函数技术来开发受控电流感应电动机驱动器并研究它的稳定性。Macdonald等[30]开发了电流源逆变器-感应电机驱动的线性化小信号模型，以研究驱动器的稳定性并为不同的控制策略提供传递函数。Tan等人。[31]使用解耦边界层模型计算了双笼感应电动机的特征值。

在这些工作中，仅考虑了逆变器电压的基波分量，并且考虑了谐波的影响。在历史文献[32-35]中有很多证据涉及瞬态分析，即使用传统线性化模型预测的瞬态行为虽然在定性上同意，但与实际定量偏离。偏差的原因可能是由于忽略饱和效应，趋肤效应，铁损和机械阻尼等假设。然而，饱和效应被怀疑是分析和实验结果之间差异的主要原因。一些方案[36,37]包括由变频源馈电的感应电动机的饱和效应。这些模型适用于数字仿真和时域分析，可以精确地成功预测不稳定区域。艾哈迈德等人。[38]基于Liapunov的第一种方法，利用特征值的位置，分析了线性时不变系统的稳定性。

因此，对三相电机进行了稳定性研究。然而，就作者的最佳知识而言，尚未对多相（超过三相）感应电机进行此类研究。本文作者在Krause[39]和H

资料编号：[3482]