圖3 定子雙重繞組、6可逆橋、12脈波交-交變頻器

在電動(dòng)機(jī)定子中裝設(shè)兩套同樣功率的繞組ⅰ和ⅱ，但空間相位差 ，這兩套繞組分別由6脈波三相輸出交-交變頻器供電，每套變頻器由3個(gè)反并聯(lián)橋構(gòu)成，兩套共12個(gè)整流橋。兩套變頻器的50hz輸入電壓的相位差30°，輸出電流isr、s、t.ⅰ和isr、s、t.ⅱ幅值相同、相位也差 （相對(duì)于輸出頻率）。若繞組ⅱ比繞組ⅰ落后30°，則isr、s、t.ⅱ應(yīng)比isr、s、t.ⅰ超前30°，這樣兩個(gè)電流空間矢量iⅰ （由isr、s、t.ⅰ構(gòu)成）和iⅱ（由isr、s、t.ⅱ構(gòu)成）幅值將相等，方向重合。交-交變頻造成的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)主要是無(wú)環(huán)流“死時(shí)”帶來(lái)的低頻脈動(dòng)，由于兩組三相輸出電流在時(shí)間上相差30°，在一個(gè)輸出周期中，6相電流12次過(guò)零，帶來(lái)12次轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，所以對(duì)電動(dòng)機(jī)而言是12脈波。
研究表明，在d-q子空間多相電動(dòng)機(jī)與三相電動(dòng)機(jī)具有相同的動(dòng)態(tài)模型，因此雙三相電動(dòng)機(jī)可應(yīng)用三相電動(dòng)機(jī)的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等策略，實(shí)現(xiàn)高性能的速度和轉(zhuǎn)矩控制。在雙三相電動(dòng)機(jī)交-交變頻控制系統(tǒng)中，第ⅰ套6脈波變頻器的控制方法與常規(guī)三相電動(dòng)機(jī)交-交變頻矢量控制方法相同；但第ⅱ套6脈波變頻器只采用電流控制，其直流電流給定值、直流定子電壓給定值和磁鏈位置角均來(lái)自第ⅰ套的矢量控制系統(tǒng)。
3.2 交-直-交電壓源型變頻器供電的雙三相電機(jī)系統(tǒng)
當(dāng)雙中點(diǎn)聯(lián)接的雙三相電動(dòng)機(jī)由交-直-交電壓源型變頻器供電，變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。由于兩套定子繞組隔離，故可共用一個(gè)直流電壓。

圖4 電壓型變頻器供電的雙三相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

對(duì)采用變頻器供電的多相電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等控制技術(shù)是最為普遍的。
文獻(xiàn)[2]提出了基于向量空間分解的雙三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的svpwm控制方法，降低了系統(tǒng)的5，7，17，19次諧波，通過(guò)向量空間分解，電動(dòng)機(jī)的分析建模與控制在三個(gè)兩維正交子空間中完成，實(shí)現(xiàn)了與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的電動(dòng)機(jī)變量和與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換無(wú)關(guān)的電動(dòng)機(jī)變量完全地動(dòng)態(tài)解耦。這種方法可以推廣到任意相數(shù)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。文獻(xiàn)[5]發(fā)展了不平衡供電時(shí)，確保氣隙磁通仍為圓形的抗擾(disturbance free)算法。文獻(xiàn)[6]給出了一種較為通用的抗擾算法。文獻(xiàn)[7]還通過(guò)優(yōu)化的空間電壓矢量，實(shí)現(xiàn)了五相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制。文獻(xiàn)[8]三相電壓源逆變器統(tǒng)一電壓調(diào)制技術(shù)，提出了一種新穎的用于六相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的空間矢量pwm方法。
六相電壓型變頻器有26＝64種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)空間向量分解，與開(kāi)關(guān)狀態(tài)相應(yīng)的64個(gè)空間電壓向量分別映射到兩個(gè)不同的平面上，所有的與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換相關(guān)的變量分量都映射到了一個(gè)子空間，而與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換無(wú)關(guān)的變量分量映射到另一個(gè)子空間。
3.3 交-直-交電流源型變頻器供電的雙三相電機(jī)系統(tǒng)
當(dāng)雙三相電動(dòng)機(jī)由交-直-交電流源型變頻器供電時(shí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。交-直-交電壓源型逆變器供電時(shí)，兩套定子繞組的供電相同；但由電流源型逆變器供電時(shí)，對(duì)定子的兩套繞組單獨(dú)供電。
六脈沖電流型逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由于具有主回路簡(jiǎn)單，對(duì)功率元件要求不高，電動(dòng)機(jī)可四象限運(yùn)行，在變頻調(diào)速中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但由于六脈沖電流型逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性較差，且在低頻時(shí)容易發(fā)生系統(tǒng)的機(jī)械共振，因此在大容量的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，特別是對(duì)轉(zhuǎn)速精度要求較高時(shí)，通常采用十二脈沖或十二脈沖以上的電流型逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。十二脈沖電流型逆變器六相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主電路如圖5所示，它實(shí)際上是兩個(gè)六脈沖電流型逆變器并聯(lián)運(yùn)行^[9]。電機(jī)的電壓波形尖峰值與其換流電容的大小及電機(jī)負(fù)載點(diǎn)有關(guān)；不存在六脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且十二脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的幅值也遠(yuǎn)小于六脈沖三相電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相應(yīng)值。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)交-直-交電流源型變頻器供電的雙三相電機(jī)系統(tǒng)的研究比較少。

圖5 十二脈沖電流型變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4 故障狀態(tài)下的運(yùn)行
研究雙三相電動(dòng)機(jī)的最重要的意義之一就在于其比普通三相電動(dòng)機(jī)具有更高的穩(wěn)定性，能在故障狀態(tài)下運(yùn)行。
在多相電動(dòng)機(jī)中，各種故障由于相數(shù)的增加也會(huì)增加。供電系統(tǒng)的類(lèi)型和繞組間的電阻是兩個(gè)參量，它們共同決定了在故障時(shí)基本的驅(qū)動(dòng)配置。在每個(gè)相冗余系統(tǒng)中的每個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置帶有盡可能多的操作的獨(dú)立，可以防止物理故障從一個(gè)裝置到相鄰裝置的傳播^[10]。
多相電動(dòng)機(jī)的繞組結(jié)構(gòu)使電動(dòng)機(jī)在定子或逆變器缺一相或多相時(shí)仍可啟動(dòng)和運(yùn)行。但是，在這樣一種結(jié)構(gòu)地不平衡情況下運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性會(huì)發(fā)生顯著地變化，當(dāng)平衡的繞組結(jié)構(gòu)不再正常運(yùn)行時(shí)，常規(guī)矢量控制策略不能保證電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性。文獻(xiàn)[5]發(fā)展了不平衡供電時(shí)，確保氣隙磁通仍為圓形的抗擾(disturbance free)算法。文獻(xiàn)[6]給出了一種較為通用的抗擾算法，這是一種保持電動(dòng)機(jī)在一相定子開(kāi)路前后磁動(dòng)勢(shì)不變的算法。文獻(xiàn)[11]提出了一種雙三相電動(dòng)機(jī)定子繞組一相開(kāi)路時(shí)的建模方法，通過(guò)簡(jiǎn)單的d-q模型的描述，分析了多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在故障狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行。文獻(xiàn)[12，13]對(duì)稱(chēng)分量法對(duì)十五相電動(dòng)機(jī)在一相、兩相和三相定子開(kāi)路時(shí)的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[14]向量空間解耦的方法分析結(jié)構(gòu)不平衡時(shí)的情況，向量空間解耦技術(shù)建立在不對(duì)稱(chēng)繞組結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上。因此給結(jié)構(gòu)不平衡的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)提供了一個(gè)工具。文獻(xiàn)[15]諧波技術(shù)專(zhuān)門(mén)對(duì)多相鼠籠感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在定子繞組出現(xiàn)開(kāi)路和短路故障時(shí)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行了仿真研究。文獻(xiàn)[16]研究了多相同步電動(dòng)機(jī)由于一相或多相斷開(kāi)造成的不對(duì)稱(chēng)故障情況下的同步坐標(biāo)系下電流控制。提出的方法不僅擁有一個(gè)線性控制器對(duì)常規(guī)滯型電流控制器的優(yōu)勢(shì)，而且能無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差的整流電流。其關(guān)鍵內(nèi)容是電流和電壓的諧波仍能對(duì)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生積極的作用，可以在不對(duì)稱(chēng)故障情況下等效直流電流成分。六相同步電動(dòng)機(jī)交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于礦井提升機(jī)時(shí)，正常運(yùn)行時(shí)為全載全速；當(dāng)某一套變頻器故障時(shí)，經(jīng)隔離開(kāi)關(guān)組合可將兩套繞組串聯(lián)，由一套變頻器供電實(shí)現(xiàn)全載半速；當(dāng)某一套變頻器故障時(shí)，并且只有一套繞組工作時(shí)，此時(shí)提升機(jī)仍可運(yùn)行，只是其運(yùn)行方式為半載全速^[17]。
雙三相電動(dòng)機(jī)在故障狀態(tài)下仍可繼續(xù)運(yùn)行的特性，使其在某些重要的不允許中途停車(chē)場(chǎng)合得到重視和應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)
本文在雙三相電動(dòng)機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，綜述了雙三相電機(jī)系統(tǒng)在交-交變頻器供電、交-直-交電壓源型變頻器供電和交-直-交電流源型變頻器供電時(shí)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略，簡(jiǎn)述了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)多相電機(jī)特別是針對(duì)雙三相電動(dòng)機(jī)在故障狀態(tài)下的運(yùn)行所作的研究。
由于雙三相電動(dòng)機(jī)對(duì)于三相系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著對(duì)雙三相電動(dòng)機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行更多的研究和改進(jìn)，在一些大功率，非常重要的場(chǎng)合，雙三相電動(dòng)機(jī)必將成為一種趨勢(shì)。

作者簡(jiǎn)介
符曉 男 碩士研究生 研究方向?yàn)榻涣麟姍C(jī)控制。
伍小杰 男 教授/博士 主要從事電力電子與電力傳動(dòng)的教學(xué)與研究工作。

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