双星电机的应用.doc

1、中 国 北 车 集 团 电 力 牵 引 研 发 中 心共 5 页 第 1 页0 前言近年来，感应式异步电动机驱动装置在牵引及工业控制领域得到越来越广泛的应用，这些技术的发展取决于工业半导体技术的进步，但是，在某些特定的情况下，例如在大功率场合，变流器的功率等级仍然受到功率半导体器件电压或电流的限制。与目前已得到广泛应用的多电平变流器驱动系统一样，多相电机变流器驱动系统也是采用低压标准功率器件实现高压大功率等级的一种有效手段。多相电机变流器驱动系统除了具有大功率处理能力以外，多相冗余结构同样具有改善系统可靠性的作用，在损失一相或几相的情况下，不会影响调速系统的起动和运行，只需降载运行而不必停机。

2、目前，在多相感应式异步电动机结构中具有代表性的是六相异步电动机，或称双 Y 相移 30电动机，在部分文献中也称 Double-Star 电动机（以下简称双星形电动机） 。双星形电动机可通过将传统的三相电动机定子绕组分裂为两个相等的、空间互差 30（电角度）的三相绕组来实现。双星形电动机传动系统和普通三相电动机传动系统相比具有以下优点： 用低压器件实现大功率。在三相系统中，较大容量的电动机电压都较高，调速对应的是高压变频器。而双星形电机驱动系统通过增加电机的相数，实现低压大容量，从而可以采用低压变频器，避免功率器件的串联。特别适合无法得到高压，但需要输出大功率的场合。 在供电电压受限时，可用单管

3、实现大容量。在供电电压受限的场合中（如战车、电力机车等） ，为了得到较大功率的变频调速设备，每相输出电流幅值较高，而这又受到功率器件的限制，实际应用中往往采用多管并联的方法。在双三相电机系统中，相电流峰值减小，单管就可以满足要求。 转矩脉动减小，系统的动、静特性提高。采用双三相电机系统能够消除三相电动机传动系统中常见的 6 次转矩脉动，转矩脉动的最低次数升高，幅值下降；稳态转矩脉动较小，从而降低系统的机械共振，降低电机的运行噪音。 空间谐波最低次数整大，幅值减小，在转子上感应出转子电流的谐波分量相应的最小频率整大、幅值降低，使转子损耗降低。双星形感应电动机基本原理、控制方法与应用中 国 北 车

4、 集 团 电 力 牵 引 研 发 中 心共 5 页 第 2 页 逆变器供电时，直流母线谐波电流较低，可以减小输入电路的滤波器。 对于同体积的电机，双星形电机每安培的转矩输出提高。 当一台变流器出现故障时，双星形电机可以在降载的情况下继续运行。双星形电动机传动系统和普通三相电动机传动系统相比具有以下缺点： 电源进线数量多，给工业现场的使用带来一定的困难。但由于双星形电机系统相电压较低，电缆线绝缘要求低，因而线径小，便于处理。 双三相电机系统突破了供电电源相数的限制，需要两台变频器供电，导致功率器件的数量增加，一方面降低了系统的可靠性，部分程度上抵消了双三相电机本身高可靠性的优势。 双三相电机相数

5、的增多，导致每相定子绕组的串联匝数减少，定子漏感较小；在非正弦供电时（如变频器供电） ，定子谐波电流增加，因而定子损耗加大，发热加剧。由于双三相系统（多相系统）具有上述诸多优点，各国科技人员从多个方面对其展开了研究。早在 20 世纪 70 年代初，为了提高电力传输系统的总容量，多相系统得到了广泛的研究。后来，多相励磁发电机组很快就从理论研究走向实际应用。显而易见，变频调速系统的产生是多相电机出现、发展的直接动因。在 20 世纪 70 年代初，R.H.Nelson 和 P.C.Krause 首先对双三相电机进行了计算机仿真，结果发现尽管消除了通常存在于三相电机中的 6 次谐波脉动，但定子谐波电流

6、幅值增加。20 世纪 80 年代初，T.M.Jahns 的试验证明多相电机系统具有较高的可靠性。进入 20 世纪 90 年代，Lipo 等人对多相电机系统展开了从电机设计到多相变频调速算法多方面的深入研究。目前，多相变频调速系统主要的应用领域有三个： 系统可靠性要求很高的场合。在潜艇的动力系统、核电站水冷系统、战车的牵引系统等。在系统出现缺相故障时，系统可以继续运行而不必停车，从而大大提高了系统的可靠性。 低压大功率的传动场合。 大功率精密传动场合。多相变频调速系统由于其转矩脉动小，转速平稳，转矩响应快，因而适用于轧钢等对速度控制精度要求很高的场合。1 双星感应电动机基本原理双星形异步电机可以

7、通过改变三相异步电机的定子绕组的端部连线，并在出线盒里增加三个出线端即可获得。通常是将三相异步电机按星形连接的 60相带绕组等分成两个相带，得到两组互差 30电角度、中点隔离的对称三相绕组，其转子采中 国 北 车 集 团 电 力 牵 引 研 发 中 心共 5 页 第 3 页用与三相异步电机相同的标准鼠笼型结构，这时电机内部定子槽沿内圆对极距内等分为十二个相带，每一相带宽度为 30电角度。2 双星感应电动机基本控制方法Lipo 于 20 世纪 80 年代初，建立了基于 CSI（电流型逆变器）的 6 相电机的 d-q-o 系统模型，该模型考虑了齿谐波的影响。Andersen 和 Biennick

8、描述了 CSI 供电时的 6 相电机的特性，认为不论用一个 CSI 变频器驱动电机还是用两个 CSI 一起驱动电机，系统性能都要优越于三相系统。VSI（电压型逆变器）尽管功率因素线性度好，适用于驱动普通电机，但因受功率器件耐压等级的限制，功率等级一直限于大功率的低端。多相系统的提出，使得VSI 变频器在大功率、高可靠性场合的应用日益增多。双星形电机驱动系统的控制策略与三相电机驱动系统相比，基本方法是一致的。如在三相系统中已经成熟的矢量控制和直接转矩控制的方案都可借用过来，稍加修改即可适用。但多相系统中存在的特殊问题引起了各国学者的普遍关注，这些问题包括：定子谐波电流幅值较大；一相或者几相退出运

9、行时，如何确保系统稳定运行。3 双星感应电动机的应用从 20 世纪 90 年代开始，双星形电机系统就已经应用在铁路牵引系统中： 1998 年SKODA 公司向捷克铁路公司提供的动车组 EMU471，其持续功率为2000kW，线路网压为 3000VDC，牵引电动机为双星形结构。 2003 年，SKODA 公司计划研制中的动车组 EMU675，其持续功率为 2000kW, 线路网压为 3000VDC 和 25kV/50Hz 双制式，牵引电动机为双星形结构。 1993 年，ADtranz 向意大利国营铁路交付使用的 E412 货运电力机车，其持续功率为 6000kW，最大时速 200km/h，B0-

10、B0 方式，线路网压为 3000VDC /1500VDC，牵引电动机为双星形结构，电机功率为 1530kW。 2000 年，庞巴迪公司首批向意大利国营铁路交付的 40 台 E464 型电力机车，配属于罗马-菲乌米奇诺机场的客运线路，随后的追加定单为 100 台。该型机车在设计时采用了 ADtranz 在制造大功率通用 E412 型电力机车时积累的经验。由于用于往返旅客列车，因此机车的功率较小，其持续功率为 3000kW，最大时速160km/h，B0-B0 方式，牵引电动机为双星形结构，牵引变流器采用 GTO 水冷结构，线路网压为 3000VDC，但也可以采用 1500VDC 供电。中 国 北

11、车 集 团 电 力 牵 引 研 发 中 心共 5 页 第 4 页多相电机系统在军事领域得到了广泛的应用： 1982 年，T.M.Jahns 申请了欧洲发明专利，采用 15 相感应电机，蓄电池供电，以三相为子集构成多相系统，每个三相子集都采用半桥逆变器供电，应用于潜艇驱动系统。 1990 年，美军开始潜艇新型电力推进系统研制计划，1994 年 8 月在那不勒斯海军水下系统中心进行海试，其推进方式为大功率六相永磁电动机推进，中间电压为 750VDC。 英国海军以多相感应电动机为对象，研制大功率综合全电力推进系统。应用于未来的护卫舰、航空母舰等大型舰只。4 结论双星形电机（多相电机）调速系统是电力电

12、子技术与电机技术的最佳组合之一。变频调速器的产生是双星形电机（多相电机）的出现、发展的直接动因。多相系统优点的发挥和缺点的抑制需通过采用合适的控制算法来解决。随着双星形（多相）技术的逐渐完善，其应用必将日益广泛。参考文献：1 F.Terrien. Analysis of double star motor drives for electrical propulsion. IEE, 1999.2 N.Madani, M.F.Benkhoris. Sliding mode control of SVPWM inverters double star asynchronous machine dr

13、ive. IEEE, 2004.3 Huberi Razik. Modelling of double star induction motor for diagnosis purpose. IEEE, 2003.4 D.Hadiouche, H.Razik. Study and simulation of space vector PWM control of double star induction motors. IEEE, 2000.5 J.L.Kotny, D.Roger. Analytical determination of the double star synchronou

14、s machine commutating reactance. IEE, Power electronics and variable speed drives, 1996.6 庄朝晖. 多相感应电机变频调速系统回顾、现状及展望. 电气传动, 2001, (2): 3-7.7 陈林. 逆变器供电双三相感应电机的稳态特性. 电气传动, 2004, (3): 30-33.8 陈林. 多相感应电动机空间矢量选择与控制研究. 华中科技大学, 博士学位论文.9 庄朝晖. 多相感应电机变频调速系统控制方法研究. 华中科技大学, 博士学位论文.中 国 北 车 集 团 电 力 牵 引 研 发 中 心共 5 页 第 5 页