1 引言
電力發電、輸配電系統多為三相系統，因此，大多數電機調速系統都是由三相電機與三相變頻器構成的。盡管目前大規模生產的經濟性確保了三相電機會一直被使用，但三相電機的地位在大功率傳動領域已經受到一定的挑戰。隨著功率器件的發展，通過電力變換器可以擺脫三相電網供電的束縛，使得由多相功率變換器和多相電機組成的多相電機調速系統的實現成為可能。對于由變頻器供電的交流電動機來說，定子的相數作為一個新的自由參數，可以影響調速系統的工作方式。多相電動機調速系統具有很多優點，例如可用低壓器件實現大功率；系統特性優化；系統整體可靠性提高等[1]。
多相電動機控制系統在國外已開始應用并獲得良好效果，尤其是其優于傳統三相電動機的可靠性能，展現出誘人的應用前景；國內對多相電動機控制系統的研究已經開始，仍有許多課題值得研究。本文對雙三相電動機的拓撲結構、控制策略和故障狀態下的運行進行了綜述，對大功率電氣傳動系統的研究具有積極的作用。
2 雙三相電動機的結構
雙三相電動機的物理模型如圖1所示，其定子繞組由兩套結構完全一樣的三相星形連接的繞組組成，這兩套繞組在空間排列上相差30°電角度，定子繞組的軸線a1s、b1s、c1s、a2s、b2s、c2s在空間是固定的，轉子繞組的軸線a1r、b1r、c1r、a2r、b2r、c2r隨轉子旋轉，轉子a1r相軸線與定子a1s相軸線間的電角度θr為轉子空間角位移變量。雙三相電動機常簡稱為六相電動機。依據其轉子結構的不同，可分為雙三相同步電動機和雙三相感應電動機兩種。
圖1 雙三相電動機的物理模型
雙三相電動機兩個三相定子繞組的中點可以連在一起構成單中點，也可以是不相連的兩個獨立的中點，如圖2所示。根據基爾霍夫電流定律可知，采用雙中點且無中線連接時，此時只有4個獨立的定子電流變量；而采用單中點連接時，有5個獨立的定子電流變量。顯然，去除中點間的連線可降低系統的維數，雙三相電動機的控制進一步簡化[2，3]。
雙三相電動機的兩套定子繞組在空間排列除相差30°電角度結構外，兩套定子繞組還可以相差0°電角度的布置方式。兩套繞組的不同分布方式，定子、轉子之間磁感影響有所不同，因此其控制亦有差異。
a）單中點情況 b）雙中點情況
圖2 定子繞組的中點連接情況
3 變頻器主回路拓撲及控制
3.1 交-交變頻器供電的雙三相電機系統
針對交-交變頻傳動中變頻器負載為雙三相電動機定子繞組的特點，可采用定子雙重繞組的12脈波方案，如圖3所示，它既不提高裝置的電壓水平，也不用電抗器[4]。
圖3 定子雙重繞組、6可逆橋、12脈波交-交變頻器
在電動機定子中裝設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個反并聯橋構成，兩套共12個整流橋。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 （相對于輸出頻率）。若繞組ⅱ比繞組ⅰ落后30°，則isr、s、t.ⅱ應比isr、s、t.ⅰ超前30°，這樣兩個電流空間矢量iⅰ （由isr、s、t.ⅰ構成）和iⅱ（由isr、s、t.ⅱ構成）幅值將相等，方向重合。交-交變頻造成的轉矩脈動主要是無環流“死時”帶來的低頻脈動，由于兩組三相輸出電流在時間上相差30°，在一個輸出周期中，6相電流12次過零，帶來12次轉矩波動，所以對電動機而言是12脈波。
研究表明，在d-q子空間多相電動機與三相電動機具有相同的動態模型，因此雙三相電動機可應用三相電動機的矢量控制、直接轉矩控制等策略，實現高性能的速度和轉矩控制。在雙三相電動機交-交變頻控制系統中，第ⅰ套6脈波變頻器的控制方法與常規三相電動機交-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自第ⅰ套的矢量控制系統。
3.2 交-直-交電壓源型變頻器供電的雙三相電機系統
當雙中點聯接的雙三相電動機由交-直-交電壓源型變頻器供電，變頻器的拓撲結構如圖4所示。由于兩套定子繞組隔離，故可共用一個直流電壓。
圖4 電壓型變頻器供電的雙三相電動機系統
對采用變頻器供電的多相電動機系統來說，采用矢量控制和直接轉矩控制等控制技術是最為普遍的。
文獻[2]提出了基于向量空間分解的雙三相感應電動機的svpwm控制方法，降低了系統的5，7，17，19次諧波，通過向量空間分解，電動機的分析建模與控制在三個兩維正交子空間中完成，實現了與機電能量轉換相關的電動機變量和與機電能量轉換無關的電動機變量完全地動態解耦。這種方法可以推廣到任意相數的感應電動機。文獻[5]發展了不平衡供電時，確保氣隙磁通仍為圓形的抗擾(disturbance free)算法。文獻[6]給出了一種較為通用的抗擾算法。文獻[7]還通過優化的空間電壓矢量，實現了五相感應電動機的直接轉矩控制。文獻[8]三相電壓源逆變器統一電壓調制技術，提出了一種新穎的用于六相感應電動機調速系統的空間矢量pwm方法。
六相電壓型變頻器有26＝64種開關狀態，通過空間向量分解，與開關狀態相應的64個空間電壓向量分別映射到兩個不同的平面上，所有的與機電能量轉換相關的變量分量都映射到了一個子空間，而與機電能量轉換無關的變量分量映射到另一個子空間。
3.3 交-直-交電流源型變頻器供電的雙三相電機系統
當雙三相電動機由交-直-交電流源型變頻器供電時的拓撲結構如圖5所示。交-直-交電壓源型逆變器供電時，兩套定子繞組的供電相同；但由電流源型逆變器供電時，對定子的兩套繞組單獨供電。
六脈沖電流型逆變器驅動系統，由于具有主回路簡單，對功率元件要求不高，電動機可四象限運行，在變頻調速中得到越來越廣泛的應用。但由于六脈沖電流型逆變器驅動系統存在較大的脈動轉矩，使轉速的穩定性較差，且在低頻時容易發生系統的機械共振，因此在大容量的驅動系統中，特別是對轉速精度要求較高時，通常采用十二脈沖或十二脈沖以上的電流型逆變器驅動系統。十二脈沖電流型逆變器六相驅動系統的主電路如圖5所示，它實際上是兩個六脈沖電流型逆變器并聯運行[9]。電機的電壓波形尖峰值與其換流電容的大小及電機負載點有關；不存在六脈動轉矩，且十二脈動轉矩的幅值也遠小于六脈沖三相電動機驅動系統的相應值。目前國內外對交-直-交電流源型變頻器供電的雙三相電機系統的研究比較少。
圖5 十二脈沖電流型變頻器驅動系統
4 故障狀態下的運行
研究雙三相電動機的最重要的意義之一就在于其比普通三相電動機具有更高的穩定性，能在故障狀態下運行。
在多相電動機中，各種故障由于相數的增加也會增加。供電系統的類型和繞組間的電阻是兩個參量，它們共同決定了在故障時基本的驅動配置。在每個相冗余系統中的每個驅動裝置帶有盡可能多的操作的獨立，可以防止物理故障從一個裝置到相鄰裝置的傳播[10]。
多相電動機的繞組結構使電動機在定子或逆變器缺一相或多相時仍可啟動和運行。但是，在這樣一種結構地不平衡情況下運行時，電動機的動態特性會發生顯著地變化，當平衡的繞組結構不再正常運行時，常規矢量控制策略不能保證電動機的運行特性。文獻[5]發展了不平衡供電時，確保氣隙磁通仍為圓形的抗擾(disturbance free)算法。文獻[6]給出了一種較為通用的抗擾算法，這是一種保持電動機在一相定子開路前后磁動勢不變的算法。文獻[11]提出了一種雙三相電動機定子繞組一相開路時的建模方法，通過簡單的d-q模型的描述，分析了多相感應電動機在故障狀態下的動態運行。文獻[12，13]對稱分量法對十五相電動機在一相、兩相和三相定子開路時的穩態特性進行了分析。文獻[14]向量空間解耦的方法分析結構不平衡時的情況，向量空間解耦技術建立在不對稱繞組結構的基礎上。因此給結構不平衡的感應電動機提供了一個工具。文獻[15]諧波技術專門對多相鼠籠感應電動機在定子繞組出現開路和短路故障時電動機的穩定狀態進行了仿真研究。文獻[16]研究了多相同步電動機由于一相或多相斷開造成的不對稱故障情況下的同步坐標系下電流控制。提出的方法不僅擁有一個線性控制器對常規滯型電流控制器的優勢，而且能無穩態誤差的整流電流。其關鍵內容是電流和電壓的諧波仍能對轉矩產生積極的作用，可以在不對稱故障情況下等效直流電流成分。六相同步電動機交-交變頻調速系統應用于礦井提升機時，正常運行時為全載全速；當某一套變頻器故障時，經隔離開關組合可將兩套繞組串聯，由一套變頻器供電實現全載半速；當某一套變頻器故障時，并且只有一套繞組工作時，此時提升機仍可運行，只是其運行方式為半載全速[17]。
雙三相電動機在故障狀態下仍可繼續運行的特性，使其在某些重要的不允許中途停車場合得到重視和應用。
5 結束語
本文在雙三相電動機拓撲結構的基礎上，綜述了雙三相電機系統在交-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的拓撲結構與控制策略，簡述了目前國內外對多相電機特別是針對雙三相電動機在故障狀態下的運行所作的研究。
由于雙三相電動機對于三相系統的諸多優點，隨著對雙三相電動機的拓撲結構和控制策略進行更多的研究和改進，在一些大功率，非常重要的場合，雙三相電動機必將成為一種趨勢。
作者簡介
符曉 男 碩士研究生 研究方向為交流電機控制。
伍小杰 男 教授/博士 主要從事電力電子與電力傳動的教學與研究工作。
參考文獻
[1] 侯立軍. 多相感應電動機變頻調速系統的研究. 西安交通大學,西安,2006: 3-4
[2] yf zhao, thomas a.lipo. space vector pwm control of dual three-phase induction machine using vector space decombbbbbbbb. ieee trans on indus,1995,31(5): 1100-1109
[3] yf zhao. space vector space decombbbbbbbb modeling and control of multiphase induction machine. america: university of wisconsin madison,1995
[4] 馬小亮. 大功率交-交變頻調速及矢量控制技術. 北京:機械工業出版社,2004.7: 207-209
[5] ha.toliyat. analysis and simulation of five-phase variable-speed induction motor drives under asymmetrical connections. ieee trans. power electr. 1998,13(4): 748-756
[6] jr.fu, ta. lipo. disturbance-free operation of a multiphase current-regulated motor drive with an opened phase. ieee trans. indus. app. 1994, 30(5): 1267-1274
[7] ha.toliyat,h.xu. a novel direct torque control (dtc) bbbbbb for five-phase induction machines // ieee annual meeting, 2000: 162-168
[8] 侯立軍,蘇彥民,陳林. 一種新穎的用于六相感應電動機調速系統的空間矢量pwm方法. 電工電能新技術,2004,23(1): 11-15
[9] 廖勇,楊順昌. 電流型逆變器六相感應電動機驅動系統的分析. 電工技術學報,1992.8, 3: 5-11
[10] gk. singh. multi-phase induction machine drive rebbbbbb-a survey. electric power systems rebbbbbb, 2002,61: 139-147
[11] v. pant, gk. singh, sn. singh. modeling of a multiphase induction machine under fault condition//proceedings ieee the third international conference on power electronics and drive systems, peds’99, hong kong, 1999. 7, 1: 92-97
[12] 陳林. 十五相感應電動機定子繞組多相開路的穩態特性.電工技術學報, 2004.11,(11):14-19
[13] 陳林,侯立軍. 十五相感應電動機一相開路時的穩態特性. 電氣傳動自動化,2005,27(4): 40-44
[14] yf.zhao, ta. lipo. modeling and control of a multiphase induction machine with structural unbalance. ieee transbbbbbbs on energy conversion, 1996.9,11(3):578-584
[15] j.apsley, s.williamson. analysis of multiphase induction machines with winding faults. ieee transbbbbbbs on industry applications, 2006,42(2) :465-472
[16] hm.ryu. synchronous-frame current control of multiphase synchronous motor under asymmetric fault condition due to open phases. ieee transbbbbbbs on industry applications, 2006, 42(4): 1062-1069
[17] 伍小杰. 大功率交-交變頻—雙電樞繞組同步電動機調速系統的研究及應用. 中國礦業大學, 徐州,2001
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
