（电机与电器专业论文）单绕组多相无轴承电机的研究.pdf

电机的实验平台，实现了电机的悬浮运行，验证了该模型的正确性多相电机的相冗余特性是其一个重要的优势，在定子缺相后仍可继续运行。为实现定子缺相后的可靠、平稳运行，利用故障前后定子磁动势相同的原则分别分析了六相无轴承电机和多相正弦、集中整距绕组电机定子缺相时的容错运行策略，尤其重点分析了不同容错策略下的定子铜耗等相关问题。关键词多相电机，多相坐标变换，多控制自由度，磁动势分析，数学模型，谐波注入，无轴承电机，缺相故障，容错运行a b s t r a c ti ne a r l ys t a g e ，t h ep h a s en u m b e ro fam o t o rw a sn o tm o r et h a nt h r e ed u et ot h el i m i t a t i o no fp o w e rs y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，i ti sp o s s i b l et or e a l i z em u l t i p h a s ei n v e r t e r s ，w h i c hr e m o v et h el i m i t so fp h a s en u m b e rb yp o w e rs y s t e m m u l t i - p h a s ei n d u c t i o nm a c h i n ed r i v e sh a v ea t t r a c t e dac o n s i d e r a b l ea m o u n to fi n t e r e s td u et oi t sa d v a n t a g e so v e rc o n v e n t i o n a lt h r e e p h a s ed r i v e s ，s u c ha sl o w e rt o r q u ep u l s a t i o na n db e a e rf a u l tt o l e r a n c e m u l t i p h a s em a c h i n e ss p l i tt h em o t o rp o w e ra c r o s st h eh i g h e rp h a s en u m b e ri no r d e rt or e a l i z eah i g hp o w e rs y s t e mb yr e d u c i n gt h ep e r - p h a s ec o n v e r t e rr a t i n g t h em u l t i p l ec o n t r o lf r e e d o mo fm u l t i p h a s em o t o ra n di t su t i l i z a t i o na r eh i g h l i g h t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eo r g a n i z a t i o no f t h i ss t u d yi sa sf o l l o w s ：ad e e pi n s i g h ti n t ot h em u l t i p h a s em o t o rp e r f o r m a n c ec a nb eg a i n e db ya n a l y s i so f t h ea i r - g a pm m fd i s t r i b u t i o n f o r m u l a sf o rt h em m fi na n 刀- p h a s em o t o rt h a tt a k ei n t oa c c o u n tc u r r e n ta n ds p a c eh a r m o n i c sa r ed e r i v e d a na n a l y t i c a lm o d e lo fm u l t i p h a s em o t o ri sb u i l tu p b a s e do ni t ，t h es i n u s o i d a lw i n d i n ga n ds q u a r ew i n d i n gm o t o r sa r ed i s c u s s e d m m fd i s t r i b u t i o na n dm a t h e m a t i c a lm o d e la r eu s e dt oe l a b o r a t em u l t i p l ec o n t r o lf r e e d o mo fm u l t i p h a s em o t o r am u l t i p h a s em o t o r ( 门5 ) h a sm u l t i p l eo r t h o g o n a ld - qp l a n e s f l u xa n dt o r q u ec o n t r o lo fam u l t i p h a s em a c h i n en e e d so n l yo n ed - qp l a n e ，t h a ti s ，o n ed - qp l a n ec a nb eu s e df o rt o r q u ec o n t r o l ，a n dt h eo t h e r sc a nb eu s e di nd i f f e r e n tm a n n e r s t h ea p p l i c a t i o n so fm u l t i p h a s em a c h i n e sa r ea n a l y z e df r o mt h ep o i n to fv i e wo fm u l t i p l ec o n t r o lf r e e d o m s f l u xd e n s i t yo ft e e t ha n db a c ki r o ni sa n a l y z e d r e c t a n g u l a rf l u xd i s t r i b u t i o nb r i n g sa b o u ti m p r o v e di r o nu t i l i z a t i o n t h es q u a r ef l u xd i s t r i b u t i o ni so b t a i n e db yi n j e c t i o no fs e v e r a lc u r r e n th a r m o n i c s i na15p h a s ei n d u c t i o nm o t o r , h o wt og a i nt h ee x p e c t e df l u xd i s t r i b u t i o ni sd i s c u s s e dw h e nt h em o t o ri sc o n t r o l l e db yv fs c h e m eo rr o t o r - f l u x o r i e n t a t i o nc o n t r o ls c h e m e s c o m p a r e dt ot h em a c h i n ew i t hs i n u s o i d a lf l u xd i s t r i b u t i o n ，t h em a c h i n ew i t hq u a s i s q u a r ef l u xd i s t r i b u t i o nc a l lo u t p u th i g h e rt o r q u e ，a n dt h er e a s o n sa r eg i v e n c o n v e n t i o n a lb e a r i n g l e s sm a c h i n eh a sd u a lw i n d i n g s ，l e v i t a t i o nw i n d i n g sa n dt o r q u ew i n d i n g s b e a r i n g l e s sm o t o rw i t has i n g l es e to fm u l t i p h a s ew i n d i n g si sp r o p o s e db yi n t r o d u c i n gt h em u l t i p l ec o n t r o lf r e e d o mt h e o r yi n t ob e a r i n g l e s sm o t o rp r i n c i p l e t h et w on e e d e dm a g n e t i cf i e l d sa r eg e n e r a t e db yf e e d i n gt w og r o u p so fc u r r e n t st oas i n g l es e to fm u l t i p h a s ew i n d i n g s t h et w og r o u p so fc u r r e n t sa r em a p p e dt od i f f e r e n td - qp l a n e s i no t h e rw o r d s ，o n ed - qp l a n ei su s e df o rm o t o rd r i v e ，a n dt h eo t h e ri su s e df o rr o t o rl e v i t a t i o n t a k i n gas i xp h a s ei n d u c t i o nm a c h i n e sa se x a m p l e ，t h ei n d u c t a n c em a t r i c e s ，c o n s i d e r i n ga i rg a pe c c e n t r i c i t y , a r ec a l c u l a t e dw i t ht h em o d i f i e dw i n d i n gf u n c t i o nm e t h o d t h er a d i a lf o r c eva n a l y t i c a lm o d e li sd e d u c e db yv i r t u a ld i s p l a c e m e n t ，a n di t sr e s u l t sa r ev a l i d a t e db yf e a t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h en e wb e a r i n g l e s sm a c h i n ei ss e tu p a6 - p h a s ei n d u c t i o nb e a r i n g l e s sm o t o rp r o t o t y p ei sd e v e l o p e d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sn o v e lb e a r i n g l e s sm o t o r o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta d v a n m g e so fm u l t i p h a s em a c h i n e si st h a tt h e yc a nc o n t i n u et oo p e r a t ea f t e rt h el o s so fo n e ( o rm o r e ) p h a s e ( s ) u n d e rt h ef a u l t e dp h a s e ( s ) c o n d i t i o n s ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fa nu n d i s t u r b e dr o t a t i n gm m f ，p o s t - f a u l to p e r a t i n gs t r a t e g i e so fm u i t i p h a s eb e a r i n g l e s sm o t o r s ，s i n u s o i d a l w i n d i n ga n ds q u a r e w i n d i n gm o t o r sa r cd i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y t h es t a t o rp o w e r l o s sw i t hd i f f e r e n ts t r a t e g i e si sa n a l y z e d k e y w o r d sm u l t i p h a s em a c h i n e ，m u l t i p h a s ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ，m u l t i p l ec o n t r o lf r e e d o m s ，m m fd i s t r i b u t i o na n a l y s i s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，h a r m o n i cc u r r e n t si n j e c t i o n ，b e a r i n g l e s sm o t o r , o p e n e dp h a s ef a u l t ，f a u l t t o l e r a n c ec o n t r o l- v i -主要符号说明主要下标：符号名称符号名称1 、2 、谐波次数或极对数o漏感a 、b 、a 、b 相d 、qd 、q 轴s定子r转子s r互感m幅值或教磁分量k时间谐波次数i ，空间谐波次数静止坐标系下口，轴或仅，8t坐标变换后水平竖直方向主要符号：符号名称符号名称c o( 同步) 电角频率频率缈，转速角频率q滑差角频率气隙圆周上各点的位置厂够空间旋转角度( 电角度)只转子偏心机械角度吃a 相绕组轴线位置f磁动势口磁密转子在口、方向所受的f 矿f 8戗，8水平、竖直方向的位移径向力g各处气隙长p气隙长度的倒数g o平均气隙长p = d d r微分算子，电机有效铁心长度p电机极对数，气隙圆周半径甜电压门定子相数或匝函数f电流毒2 7 r t 岳2 7 r n ,n绕组函数屯绕组系数上电感，粗体为矩阵r电阻，粗体为矩阵u电压矢量l 正，磁链，粗体为矩阵l电流矢量互电磁转矩o空气磁导率3转动惯量j滑差c坐标变换矩阵浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已存论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月同学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论义的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权节)学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月口签字口期：年月口致谢首先诚挚的感谢指导黄进教授，先生在我进行研究生阶段学 - - j 、课题研究及论文写作过程中都给予了极大的关心、指导和鼓励，值此论文完稿之际，谨向恩师致以最诚挚的感谢和最崇高的敬意。先生渊博的学识水平，严谨的治学风范，勤勉的工作精神，诚恳的待人方式，以及高度的负责精神，都使学生受益非浅。先生导师悉心的教导使我得以一窥电机领域的深奥，不时的讨论并指点我正确的方向，使我在这些年中获益匪浅。先生对学问的严谨更是我辈学习的典范。作者在攻读博士期间，曾得到电机实验室孟小莲、卢慧芬等老师的大力帮助，在此一并深表谢意。感谢电机及其控制研究所诸位老师对作者的关心和指点。已毕业的杨家强魏云冰副教授，陈理渊金海牛发亮刘炯、葛晓慧博士，郑赛军，黄越雯、魏学飞、吴跨宇、陶前，接峰、马健、刘玲、王义芳、李冉，申林，关肠等硕士，在读博士研究生刘东姜海博，在读硕士研究生袁宝成、张龙飞以及赴美深造的师弟叶飞等，在我课题完成过程中都给予了极大的帮助和支持，共同奋斗、共同欢笑的同门友情难以忘怀，在此一并表示最诚挚的谢意。感谢室友周杰，李德贤、郑飞君5 年来的帮助与支持。向所有曾给予作者帮助的各位师长、学友致以最衷心的感谢!最后，深深感谢亲爱的父亲康学伟、母亲肖锡如弟弟康攸和女友姚瑶给予我精神和物质上长久以来的关心、理解和支持! 他们的殷切期望和无私的爱，是我漫长求学之路的原动力，浓浓亲情，无以言报。最后，衷心的感谢一一所有关心和帮助过我的师长同学，朋友和亲人!康敏2 0 0 8 年6 月于求是园浙江大学博士学位论文第1 章绪论1 1 课题背景第1 章绪论在人类社会发展的进程中，能源一直是人类赖以生存的基础。电机作为机电能量转换的重要装置，其技术直接关系到能源的开发、利用和节约在电动机诞生后的一个多世纪里，交流电机尤其是笼型异步电机以其结构简单、易维护及成本便宜的特点得到了广泛的应用。但在风机、水泵类负载的交流调速领域，早期主要是通过电机恒速运行、调节机械阀门来调节风量或流量，致使大量能源浪费。中国发电总量的6 6 消耗在电动机上，其中风机，水泵压缩机占总用电量的4 0 左右，7 0 i i 2 上的风机、水泵、压缩机应调速运行，而至今仅有小部分调速运行。能源问题的日益凸显使得采用调速传动以减小这些浪费变得越来越重要。在电力消耗中占很大比重的大功率交流电动机节电潜力很大。近年来，中高压大功率变频调速电机在风机、水泵类负载的应用上，取得了非常明显的经济效益和社会效益。大功率的电气传动系统日益受到关注长期以来，由于受电力系统的限制，交流传动系统主要集中在单相和三相。3 相电机采用高电压来实现大功率，传统的3 相大功率交流电机，相电压为3 1 0 k v 供电，而目前市场上形成系列产品的i g b t 的电压等级为3 3 k v ，已推广应用的i g c t 的电压等级为4 5 k v 。为解决功率开关器件的耐压问题，目前广泛采用的方法是多电平，即通过采用适当的变频器拓扑结构来实现高压大功率。随着电力电子器件与技术出现和发展，多相功率变换器得以实现，这才使电机摆脱电网相数的限制。从而，电机的相数在电气传动系统中成为了一个新的自由度。由于电机的功率正比于相数刀和相电压，电流的乘积，因此，多相电机( 相数 3 ) 易于通过低压器件实现大功率传动，尤其适用于供电电压受限的场合。3 相传动系统通过改造变频器拓扑结构来适应电机，与此不同的是，多相系统通过改造电机来适应功率开关器件的耐压等级。此外，多相电机还具有更高的可靠性，在定子缺相故障下还可继续运行。正因为如此，随着电力电子技术、微电子技术与电机控制理论的发展以及大功率传动领域尤其是舰船推进领域的旺盛需求，早在半个世纪前就已提出的多相电机，最近l o 多年来又重新引起科研人员的广泛兴趣。多相电机还非常适合于航天航空、轨道交通及电动浙江大学博士学位论文第1 章绪论汽车等应用场合，对多相电机的研究具有重要的理论和现实意义。多相电机理论尽管在很多方面与3 相电机相似，但也引入了很多新的内容，存在着较多有待完善之处。在这一背景下，本文试图分析、阐述多相电机的相关理论及其若干应用。本文受国家自然基金( n o 5 0 6 7 7 0 6 0 ) 与浙江省重大专项资助。1 2 多相电机概述1 2 1 多相电机系统及特点多相电机与3 相电机有着诸多相似之处，但前者在结构上更具多样性，它的各相绕组在空闻既可均匀分布亦可菲均匀分布，如双y 六相电机，其定子由空间上相移3 0 0 角的两套3 相绕组构成，与均匀分布的六相电机( 相带为2 7 r 刀) 相比，它的绕组不含偶次谐波。尽管它们定子引出端的数目相同，但特性相差较大即仅通过定子引出端的数目来确定电机相数是不够的，人们发现多相电机的性能与它的相带数的有着更为密切的关系。为此，e a k l i n g s h i r n 牙l j每极相带数来表征电机的相数：定义每极相带数q = 1 8 0 b ，多为以电角度表示的相带角f 2 4 2 5 】。一般来说，电机定子绕组为2 q 相，若由2 口根导线引出则称之为2 9 相电机，若由g 根导线引出则称之为半2 曩相电机。例如，当有6 个引出端时( 印在外部看为6相电机) ，6 0 0 相带角的电机，q = 3 ，称之为6 相电机；3 0 0 相带角的电机，旷6 ，则称之为半1 2 相电机。表1 1 给出了几种相带角所对应的电机相数和每极相带数表1 1多相电机绕组的命名相带角1 2 0 06 0 。6 0 。4 0 。3 0 。3 0 。2 0 02 0 0相带数1 5334 56699出线端336961 291 8相数3 相半6 相6 相9 相半1 2 相1 2 相半18 相18 相均匀分均匀分均匀分均匀分均匀分双y 相均匀分布或均匀分绕组结构布布布布移3 0 。布3 y 相布移2 0 0按这一命名法则，我们常说的6 0 。相带3 相电机即半6 相电机；相带为：r 5 、绕组均匀分布的5 相电机为半1 0 相电机，它的绕组只含奇次空间谐波；相带为2 n - 5 的绕组也均匀分2浙江大学博士学位论文第1 章绪论布的5 相电机即5 相电机，它的绕组既含奇次又含有偶次空间谐波；除非在特殊的应用场合( 如本文第3 章) ，一般不采用后一种绕组结构。因此，在不致混淆的情况下，半1 0 相电机习惯上也常称为5 相电机下图为多相电机系统两种典型的主回路结构，系统采用电压源型逆变器，在结构上与3 相电机相似。月p h a s em o t o r 力p h a s em o t o r( a ) 绕组y 接，单端供电( b ) 绕组双端由h 桥逆变器供电图1 1 多相电机系统与3 相电机相比，多相系统有以下特点1 1 1 li ：( 1 )随着功率等级的提高，3 相电机中一般通过增加每相串联匝数来实现高压大功率，高电压通过器件串并联或多电平等方式来实现；而多相电机通过增大电机相数和逆变桥臂数，不仅易于通过低压器件来实现系统的大功率运行，有利于减低系统的成本，还避免了器件串联带来的静、动态均压问题。尤其在供电电压受限的场合( 如船舶推进) ，多相电机更具优势。( 2 )多相电机具有相冗余特性，当一相或几相断开后，电机仍能运行。也可采用容错算法，使得故障后电机能获得平稳的转矩，实现抗干扰运行。多相电机具有高可靠性，适合于舰船推进核电站水冷系统，航空航天等高可靠性要求的场合。( 3 )多相电机具有更多的控制资源。从开关状态来看，刀相电机具有2 一一2 个非零电压空间矢量，有更多的潜能；从坐标变换来看，3 相电机可变换到d q 0 坐标系下，而多相电机具有多个相互正交的d - q 平面，在这些平面中可分别控制相3浙江大学博士学位论文第1 章绪论应的变量，比如，5 相电机中可注入可控的3 次谐波用以提高铁心利用率、增大转矩。( 4 )三相电机中，5 ，7 次谐波电流与基波电流作用产生6 倍频的转矩脉动，而基波电流也产生5 、7 次谐波旋转磁场，产生附加损耗；而在多相电机中相关的谐波次数增大，影响减小，如5 相电机中，9 、1 1 次电流与基波作用产生l o倍频的转矩脉动，波动幅值一般也减小，而基波电流产生最低为9 、1 1 次空间磁势谐波。这使得振动与噪声减小，转子损耗减低。( 5 )一般而言多相电机每相串联匝数较小，定子漏感相对较小，对电流谐波的抑制作用在相同的情况下不及3 相电机。1 2 2 多相电机的研究综述1 2 2 1 多相电机发展概述和国内外研发状况早期研究情况( 上世纪9 0 年代以前) 。早在半个世纪前，d c w h i t e 等人就基于瞬时对称分量法研究了多相坐标变换【1 9 】。多相交流调速的研究可追溯到上世纪六十年代末，那时逆变器电机系统的研究还处于起始阶段，电力电子器件和p w m 技术( 1 9 6 4 年由通讯领域引入到交流传动中) 还不太成熟。六阶梯波电压源逆变器给3 相电机供电，产生难以容忍的低频转矩脉动。而随着相数的增大，这类逆变器产生的转矩脉动频率增加、幅值减小，虽然定子谐波电流增大但能获得更好的转矩性能【1 2 】。这是早期多相交流调速出现和发展的一个重要原因。另一重要原因是多相电机的相冗余【l3 1 ：多相电机中一相( 或几相)定子开路或短路时，系统性能仍旧比较理想，多相系统具有较高的可靠性。随着电力电子器件和p w m 技术的成熟，多相电机的第一个优势已不复存在，由p w m 逆变器供电的3相交流电机也能获得平稳的转矩，其磁场定向控制甚至能获得与直流电机相媲美的调速特性。但多相电机高可靠性的优点仍显而易见。这一阶段诸多文献主要集中在5 相和双y 6 相电机的研究 li 2 5 。研究的重点主要有：多相电机基本特性的分析和试验【1 4 1 8 】；谐波分析与多相电机的等效电路1 2 4 l ；设计滤波器对定子电流谐波进行抑制【2 3 1 ；多相坐标变换和电机的建模【1 9 - 2 l 】；多相电机相冗余概念的提出等【13 】。e ak l i n g s h i r n 还注意到电机特性与其绕组相带数之间的关系，并提出利用每极相带数给电机命名【2 4 2 5 】。4浙江大学博士学位论文第1 章绪论当前研究( 上世纪9 0 年代以来) 。由于受三相电机影响，早期多相电机大多采用短距分布绕组、正弦供电，其研究的重心也是放在基波分量。h a t o l i y a t 等人研究发现，多相电机采用集中整距绕组以适应方波电压，获得更佳的性能 2 6 1 。此时，多相电机中某些谐波的正面影响得以发掘，多相电机的多自由度的研究和利用由此展开。微电子技术尤其是d s p c p l d f p g a 的迅速发展，使得复杂的电机调速方法得以实现，为多相电机的研究提供了良好的平台。由于大功率领域的旺盛需求尤其是舰船推进的电气化需要，9 0 年代以来多相电机的研究再次获得飞速发展。各国科研人员对多相电机的谐波分析与建模f 2 6 3 卟磁场定向和直接转矩控制 3 7 5 4 、p w m 调制技术【5 5 - 7 4 】及容错运行策略【7 5 一( j ( ) 】等方面展开了大量研究。这一阶段，以美国u n i v e r s i t yo fw i s c o n s i n m a d i s o n ( t a l i p o ) ，t e x a sa & mu n i v e r s i t y ( h a t o l i y a t ) 及英国l i v e r p o o lj o h nm o o r e su n i v e r s i t y ( e l e v i ) 等为代表的研究机构和人员取得了丰硕的成果，德，法、韩、日等国研究人员也进行了卓有成效的工作。其工业应用主要在舰船电力推进领域：美军1 9 9 4 年将1 8 m w 大功率永磁电机应用于潜艇推进中，a l s t o n 公司还为其生产了1 9 0 0 0 马力1 5 相异步电机用于船舶推进，由h 桥逆变器供电；英国也将多相感应电机应用于护卫舰；德国西门子公司生产的1 2 相永磁同步电机推进系统，已批量装备在德国u 2 1 2 级u 2 1 4 级常规动力潜艇上。国内对多相电机的研究起步较晚，但在多相交流励磁机与多相交直流混合输出发电机等方面已有不少成功的应用1 1 9 i 9 2 1 。船舶重工集团7 1 2 所、海军工程大学、哈尔滨工业大学华中科技大学、清华大学中科院电工所、西安交通大学、以及浙江大学等科研单位对多相电机传动系统都进行了大量的研究工作。武汉7 1 2 所针对多相电机在舰船推进中的应用做了大量的研究工作，对l m w 、1 0 m w等级的多相异步、永磁推进电机的进行了分析设计。海军工程大学对交直流混合供电的三十二相异步发电的模型、暂态性能和参数测定等进行了分析，对多相同步推进电动机调速系统进行了研究 3 6 1 。华中科技大学、西安交通大学和北京凯奇公司合作，对1 5 相、双y 6 相异步电机调速系统进行了研究。华中科技大学还对带整流负载的1 2 相同步发电机 9 3 1 和多相永磁无刷直流电动机等进行了研究。中国科学院电工研究所在2 0 0 5 年已经研制出了2 5 k w 的5 相永磁同步电机驱动系统，并通过3 次谐波注入提高了电机的转矩密度 8 4 1 。5浙江大学博士学位论文第1 章绪论哈尔滨工业大学对多相无刷直流电机调速系统及容错运行进行了e 1 9 4 1 1 。哈尔滨工程大学对多相永磁同步电动机及缺相运行进行研e i s g 。南京航空航天大学将多相异步电机与电力电子变换器构成起动发电系统作为独立电源系统1 9 5 9 6 1 。浙江大学与7 1 2 所合作研制2 0 0 k w 推进用的6 相双y 永磁同步电机驱动系统，电机由3 电平逆变器供电t 9 7 1 ；本实验室从上个世纪9 0 年代中期起开始多相电机基础理论的研究1 31 3 3 1 ，先后与上海电机厂合作进行大型舰船推进用多相感应电机的研究；与浙江卧龙电气集团合作迸行多相异步电机调速系统的研究；与某所合作进行多相永磁电动机的研究；对多相电机的宽范围变极调速进行研究；对6 相无轴承感应和5 相无轴承永磁电机的原理模型与控制等进行了研究。此外，湖南大学、北京交通大学等单位也对多相电机进行了研e 1 9 8 9 ( ) l 。目前国内的技术水平和应用情况与国外相比还有不小的差距，但近年来多相电机的研究己引起各科研单位和相关部门的高度重视。1 2 2 2 多相电机领域的研究热点和存在的问题当前多相电机领域的研究热点主要有以下几方面：多相电机多自由度的利用正如p a r k 变换能对3 相电机电感矩阵进行解耦一样，多相系统的坐标变换矩阵可对多相系统进行解祸，是多相电机分析和控制的重要工具。不少文献利用对称分量法或矩阵对角化等方法推导了多相电机的坐标变换l19 ，3 二1 。对于一个玎相对称系统( 各相绕组相同且均匀分布) ，其恒功率坐标变换矩阵可写如下：c = 耵i 砺l1f 疆c o s ( 鲲一2 善)s j n ( 赐一2 f )c o s ( 经一4 4 )s i n ( 呸一4 善)：1压1压c o s 【识- ( n 1 ) 胡s i n 织一( ，| 一1 ) 善】c o s 【鸭一2 ( n 一1 ) f 】s i n 【敛一2 ( n 一1 ) 孝】：l压一l压吼lt ，lj q l - 蟊p h 眦q ? iz q 2 一d zp h j0 10 ，秭毋瑚瑚一一一一i觇”；一压_一压s1 ( (蓦晷啪浙江大学博士学位论文第1 章绪论c 为正交矩阵，式中孝= 2 刀l n ；若刀为奇数，则删去最后一行多相系统具有多个正交平面( 或子空间) ，如上述矩阵的第1 、2 行构成g l 一珥平面( 或称嘎- q i 平面) ，第3 、4 行构成q 2 一吃平面，依次类推。在多相正弦绕组电机中吼一吨平面也常被称为广义的零序平面。各平面相互正交，够、分别为它们的旋转角度。根据三角函数的正交性，不难发现，相邻相相位差不同的一组电量( 电压、电流或磁链) 坐标变换后分别映射到不同的平面比如，相邻相相位差为2 z r n 的一组电流坐标变换后只映射到吼一吐- y - 面i ，它们变换到g ：一吐- y - i 面的值为0 ，同理，相邻相相位差为2 * 2 z r n 的一组电流坐标变换后只映射到g ：一吱平面。例如5 相电机中，1 0 , u _ + 1 次谐波分量( = o ，1 ，2 ，更确切地说是相邻相相位差为( 1 0 u + 1 ) 2 z r 5 的电压或电流分量) 映射到g l 一4 平面，1 0 , u + 3 次谐波分量映射到q 2 一吐平面，1 0 , u + 5 次谐波分量则对应于零序分量；即可以在各个正交的平面分别独立地控制l 、3 次谐波电流。同理，电感矩阵变换后，不同的空间谐波也会分别映射到相互正交的各个平面。不同于3 相电机，多相电机具有多个相互正交的口一d 平面，即有多个控制自由度，如何充分利用这些自由度是多相电机研究的一个重点。多相正弦绕组电机与3 相电机相似仅利用基波电流和基波磁场，即仅利用了一个控制自由度( 即q 。- a , 平面) 。其它的平面可另做它用。a 1 多相集中绕组电机多相电机中某些谐波对电机性能有利，而且是可控的，为了利用这些谐波，电机常采用集中整距绕组。集中整距绕组电机中l 、3 等各次磁场都参与机电能量转换，还可利用谐波电流改善气隙磁密波形，提高铁心利用率，并增大转矩密度。例如在5 相异步电机中，基波电流和3 次谐波电流可在相互正交的两个平面里分别控制，3 次谐波电流的注入不但使气隙磁密为平顶波( 或称准方波) ，提高铁心利用率，而且3 次谐波电流也产生正转矩。但5 相电机中3 次谐波的注入会导致轭部磁密幅值的增大，此时应相应增大轭部厚度。h a t o l i y a t , h u a n g s h e n gx u 和r u h es h i 分别分析了5 相异步和同步磁阻电机注入3 次谐波后的磁场定向控制；而r o c l y r a 在一台六相a y 异步电机中通过将电机中线引出并注入3 次谐波来增大转矩；l e i l ap a r s a 和中科院薛山等研究人员分别在一台5 相永磁电机中注入3 次7浙江大学博士学位论文第1 章绪论谐波来增大转矩f 4 5 4 7 8 4 1 0 0 1 0 2 。随着相数的增大，控制自由度增大，可利用的谐波更多，可使气隙磁场使齿部和轭部磁密更接近方波，增大铁心的利用率。但需要解决的问题是由于随着可利用谐波的增加，各次谐波含量的比例应如何确定，电机运行中应如何控制它们并获得最佳的性能。a 2 多相多电机系统( m u l t i p h a s em u l t i m o t o rs y s t e m )s g a t a r i c 和e ，l e v i 等人提出的一种多相多电机系统，是对多相电机多自由度的另一巧妙应用fl0 3 i o5 】，即由一台多相逆变器给多台按规律串联在一起的多相电机供电，并独立控制各台电机。如图1 2 示，两台5 相正弦绕组电机各相绕组按图示串联，并由一台5 相逆变器供电。由前文分析可知，在5 相正弦绕组电机中，逆变器输出的相邻相相位差为4 n 5的一组电流在m a c h i n e l 中映射到吼么平面，即对m a c h i n e l 而言相当于广义的零序分量，不参与机电能量转换，即不产生转矩，而按图示连接这组电流在m a c h i n e 2 q u 正是相邻相相位差为2 7 r 5 的一组电流，映射到m a c h i n e 2 的q 。吐平面，即它对应于m a c h i n e 2 中的基波电流，其参与机电能量转换并能产生转矩，面对m a c h i n e i 影响不大。同理，逆变器输出的相位差为2 l r 5 的一组电流，对应于- m a c h i n e l 的q l - a , 平面和m a c h i n e 2 的q 2 一吐平面，即在m a c h i n e i 中产生转矩而在m a c h i n e 2 中不产生转矩。在一台5 相逆变器的q ：一畋平面和q 一吐平面内分别控制这两组电流从而实现对这两台5 相电机的独立控制。图1 - 25 相2 电机系统多相多电机系统能够在一台逆变器中控制多台多相正弦绕组电机，但每台电机中不但流过能够产生转矩的“有效电流”，还要流过不产生转矩的“无效电流”，这使得整个系统的定子铜耗成倍增大。定子损耗增大使得多相多电机系统的实用性大打折扣，但类似该原理，王铁军等研究人员提出的6 相双y 电机滤波器则具有更好的实用性f1 0 6 。浙江大学博士学位论文第1 章绪论l( a ) 系统结构( 6 相2 电机系统)( b ) 滤波器绕组( 6 相双y ) 和结构图1 36 相双y 电机滤波器原理六相双y 电机能获得较理想的正弦磁场，但逆变器输出的5 ，7 次电压谐波在定子侧产生较大谐波电流六相双y 电机也具有两个正交平面( 设为q 。一和吼以- - ? - 面) ，分别对应基波电流和5 ，7 次谐波电流。如图1 3 ，滤波器为嵌入铁心的一套双y 6 相绕组，滤波器与六相电机按图示串联，电机的5 、7 次谐波电流通过滤波器时，在滤波器中产生基波磁场，对应于滤波器q 。- 4 平面，即谐波电压作用在漏感和激磁电感上，从而电流谐波被大大衰减；而电机基波电流映射到滤波器的q ，以平面，即仅相当于每相绕组中串联了滤波器的漏感，衰减较小，从而达到滤波的目的。a 3 多相电机的电子变极调速系统1 5 0 04 5 0 0s p e e d ( r ，m i n )图1 4 六相电机的电子变极多相电机调制极相比来实现宽范围交极调速也是多自由度的一个重要应用。如图1 - 4 ，m o h a m e d 利用六相电机实现了2 4 变极【1 0 7 1 0 8 ，六相绕组均匀分布。绕组均匀分布的6 相电机具有两个g d 平面，在q ，一西平面中电流的相位差为万3 ，对应于l 对极磁场；在9浙江大学博士学位论文第1 章绪论q ：一破平面中电流的相位差为2 ；r 3 ，对应于2 对极磁场每次只利用其中的一个自由度，在不同的g d 平面间进行切换，即通入不同相位差的一组电流以实现变极运行。上述变极调速的缺陷是在变极的过程中电机中同时存在1 2 对极磁场，它们相互作用在转子上产生径向力，频繁的变极严重影响轴承的寿命一方面，这一问题可通过4 8 变极来避免，另一方面，这个径向力是可用来缓冲轴承的受力 t 0 9 根据无轴承电机的悬浮原理，若同时利用电机的这两个自由度，1 个平面控制转矩驱动，另一平面用于悬浮控制，则可实现电机的无轴承运行。本文第3 章对多相无轴承电机的相关问题进行了分析。另外，多相电机的这一特性还可用来作为独立电源起动发电系统，即一台电机既可作电动运行也可作发电运行，将起动系统和发电系统合二为一，以减小装置的空间【9 5 9 6 1 b 、多相电机的控制策略早期多相电机的控制方面的研究主要延续三相电机的控制策略h u a n g s h e n gx u 和h a t o l i y a t 等人建立了5 相异步电机同步速下的数学模型，提出的转子磁场定向控制，并注入了3 次谐波电流，得到基波与3 次谐波d 、q 轴电流的给定值，多相坐标反变换得到相电流的给定值，由电流滞环p w m 逆变器给电机供电，如图1 5f 4 5 4 6l 。1 0图l - 5 五相异步电机的转子磁场定向控制该方法也已应用到5 相同步磁阻和永磁电机中 4 7 4 8 ，并可推广到其它相数的多相调浙江大学博士学位论文第1 章绪论速系统电机绕组中含有3 次空间谐波，注入的3 次谐波电流有利于提高电机的输出转矩和功率密度。但文献1 4 5 1 ，3 次谐波的d 、q 轴电流分别为基波的1 5 ，这值得商榷。电机的参数尤其是转子电阻和漏感对磁场定向控制的准确性影响较大，因此多相电机参数的在线辨识亟待研究。h a t o l i y a t 等人还对5 相异步电机的直接转矩控制进行了研究，结果表明，5 相电机的直接转矩控制与3 相电机相比能获得更快的转矩响应、更小的转矩脉动 5 0 1 。但该方法只是三相电机的简单推广。c 、两电平多相s v p w m3 相电机中s v p w m 与常规s p w m 调制相比能获得更高的直流母线电压利用率高，且谐波更小，有利于改善控制性能。随着相数门的增大，开关状态数目为2 ”，一方面具有更多的资源，另一方面s v p w m 的实现变得更复杂。早期对多相s v p w m 调制直接借鉴3相s v p w m 仅在q 一吐平面内对电压进行调制，定子电流谐波较大y i f a nz h a o 等人于上世纪9 0 年代中期对一台六相双y 电机进行了电压空间矢量解耦控制算法，即将自然坐标系下的六个相电压矢量映射到旋转坐标系下，在各个q d 都进行调制，定子谐波电流大大减小，但仅在吼一4 平面进行了电流闭环调节 5 8 1 。篇1 , 1 1 0 i 了亨、：，焱5 一鼷麓一：，一图1 65 相电机两平面内的电压空间矢量分布在此基础上，h y u n g m i ni q u 、薛山等人分析了5 相电机的s v p w m 6 3 6 5 】，对于注l l浙江大学博士学位论文第1 章绪论入的3 次谐波进行电流i ；t l g ，综合分析了q 。一面和q 3 - d 3 平面的空间电压矢量分布，如图1 6 ，在q 。- d , 平面内最大的电压矢量在q 3 一吨平面内为最小的非零矢量，文献 6 3 1 对开关矢量的选择、作用时间的计算和调制比等问题也进行了阐述。随着相数的增大，s v p w m调制在直流母线利用率等方面越来越接近常规s p w m ，比如3 相电机中s v p w m 的最大调制比为0 5 7 7 4 ，而9 相电机中该值为0 5 2 5 7 。于飞等人还分析了一台5 相逆变器的最小开关损耗s v p w m 和不连续s v p w m ，后者开关次数和开关损耗少l 5 ，谐波性能更好，更适合于高调制指数条件- 1 ； 7 0 7 1k庄朝晖等研究人员将3 相统一调制p w m 推广到多相系统，通过选择合适的偏置时间来实现不同的p w m 算法，该算法简洁且易于实现f 7 3 7 4 i 。低谐波、低损耗，低共模电压以及易于实现是多相p w m 追求的目标。d 、多相多电平技术随着s _ _ q 2 的发展，大功率传动的需求越来越多。3 相系统中一般通过交交变频、绕线转子异步电机的串级调速、，两电平器件串联、多电平来实现高压大功率，如图1 7 。由于晶闸管在耐压电流容量和过载能力等方面的优势，交交变频器在高压