多相电机控制驱动技术研究综述2018-06-19 作者：刘自程、李永东、郑泽东  |  来源：《电工技术学报》  |  点击率：2446 6park.com
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导语清华大学电机工程与应用电子技术系、北京交通大学电气工程学院的研究人员刘自程、李永东、郑泽东，在2017年第24期《电工技术学报》上撰文指出，由于能够实现低压大功率、高可靠性、高控制灵活度等优点，多相电机在交流传动领域得到了越来越多的应用。 本文概述多相电机及其控制驱动技术的国内外发展历史，介绍矢量控制、直接转矩控制、模型预测控制三种典型的多相电机控制方法，对比解耦控制和最优电流控制两种容错控制策略，并归纳目前出现的多相逆变器的各种拓扑结构及其特点，进而对两种PWM调制策略的研究现状进行讨论，最后对当前的多相电机控制驱动技术进行了简要总结和展望。
清华大学电机工程与应用电子技术系、北京交通大学电气工程学院的研究人员刘自程、李永东、郑泽东，在2017年第24期《电工技术学报》上撰文指出，由于能够实现低压大功率、高可靠性、高控制灵活度等优点，多相电机在交流传动领域得到了越来越多的应用。
本文概述多相电机及其控制驱动技术的国内外发展历史，介绍矢量控制、直接转矩控制、模型预测控制三种典型的多相电机控制方法，对比解耦控制和最优电流控制两种容错控制策略，并归纳目前出现的多相逆变器的各种拓扑结构及其特点，进而对两种PWM调制策略的研究现状进行讨论，最后对当前的多相电机控制驱动技术进行了简要总结和展望。
由于长期以来传统三相供电制的确立和发展，在交流电气传动领域，三相电机及其调速驱动系统被广泛应用。在冶金轧钢、矿井提升、机车牵引、船舶推进等应用场合，对于调速传动功率的需求不断增大[1]，通常采用的手段是提高电压、增大电流。然而，受到功率开关器件耐压及耐流值的限制，一般需要采用多电平技术[2,3]或者开关器件串、并联技术[4,5]来实现大功率的三相变频调速。
实现大功率传动的另外一种解决思路是增加电机的相数，降低对逆变器每相容量的要求。由于电力电子变频器的广泛应用，电机驱动完全可以不受三相供电系统限制，采用多相（相数多于三相）逆变器供电同样可以实现大功率交流传动。
与三相电机驱动系统相比，多相电机驱动系统具有以下的显著优点[6-10]：
（1）可以使用低功率等级器件实现低压大功率调速。同等功率的三相驱动系统若改装为多相系统，单相的供电电压会下降，特别适合于电力舰船推进系统、电力机车牵引系统等供电电压本身受限的大功率应用场合。
（2）转矩脉动频率增加且幅值减小。空间谐波磁动势是产生转矩脉动的直接原因，随着相数的增加，多相电机的基波电流产生的空间谐波磁动势的次数提高而幅值减小，从而使得转矩脉动得到优化，电机运行的效率也得到提高。
（3）具有较强的容错能力，可靠性提高。由于多相电机相数的冗余，当多相电机或者多相变频器的一相或者几相出现故障时，可以采用适当的控制策略，使得电机在断相的情况下降功率运行，而无需重新起动或停机。
（4）多相电机的控制资源更多，控制灵活度更高。电机的可控维数等于电机的独立相数；所以，多相电机比三相电机具有更多的控制自由度。利用这些自由度，可以实现更高的控制性能。比如对于整距绕组的多相电机，通过在相电流中注入一定的低次谐波，使得气隙磁场分布为平顶波，可以提高电机铁心的利用率和电机的功率密度。
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6  结论
本文主要对多相电机及其控制驱动技术进行了梳理和归纳，可以进行如下的总结和展望：
1）随着驱动功率需求的提高，多相电机驱动系统的相数和电平数会逐步提高。然而，由于多相逆变器的电压矢量数目及开关状态组合的数目随相数和电平数的增大呈指数增长，基于电压矢量选择的直接转矩控制和模型预测控制的计算量将会很大，难以在实际工程的运算控制器中实现。
基于解耦变换并主要进行基波平面电流控制的矢量控制方法具有更高的通用性，其计算复杂度不会随着电机相数增加而大幅增加。因此，在未来的高相数多相电机的实际工业工程应用中，矢量控制将会更多被采用。
2）对于多相电机的容错运行，虽然最优电流容错控制比断相解耦容错控制对于电机精确数学模型的依赖性降低，但是依旧需要检测逆变器的具体故障位置与状态，给出相应的控制指令值，并进行故障前后控制策略的切换。在控制策略切换的过程中，逆变器极易对电机运行造成冲击，但是，目前尚缺乏对于正常与容错工况、不同容错工况之间进行控制策略切换的详细研究，导致容错控制策略还难以应用到实际的工程中。同时，有必要研究对数学模型和电机参数的依赖性低、在正常运行和各种故障工况都能有效抑制转矩脉动、方便于扩展到任意相数的多相电机通用容错控制方法。
3）多相逆变器拓扑结构类型丰富，在实际应用中，应当综合考虑驱动功率、电压利用率、硬件成本等因素，选择最适合的拓扑结构。在未来的研究中，在多电平多相逆变器、容错重构型多相逆变器、电动汽车充放电多相逆变器等应用领域，将会出现更多的、更加灵活的拓扑结构。
4）对于多相逆变器的PWM，载波PWM比空间矢量PWM更容易实现，调制的灵活度也更高：通过注入零序电压，可以提高母线电压利用率；通过改变各相载波之间的相位关系，可以实现减少电机损耗或抑制共模电压。
考虑到多相逆变器比传统三相逆变器具有更多的自由度，如何进一步利用多相载波PWM的自由度来提高调制性能（如降低共模电压）和优化逆变器设计（如减小母线电容）等问题，值得更多的探索。 6park.com
P.S：受限篇幅和版权，这里只转贴前语和结论。感兴趣的读者可以到《电气技术》杂志社官网阅读原文。
https://www.ces-transaction.com/html/report/18060601-1.htm


贴主:Sleepyjoebd于2024_01_07 22:49:49编辑