芯耀
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作者簡(jiǎn)介
本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎(jiǎng)作品，來(lái)自華中科技大學(xué)劉自程、王光宇、朱榮培、蔣棟、羅翔宇、包木建、朱梓豪等投稿。
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從三相到多相的跨越——電機(jī)系統(tǒng)的
技術(shù)進(jìn)步之路
交流電機(jī)，作為現(xiàn)代工業(yè)的“心臟”，已逐漸成為支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防重要裝備建設(shè)的關(guān)鍵與核心。在現(xiàn)代社會(huì)，大至國(guó)之重器的“上天入地”，小至日常生活的“衣食住行”，處處都能看見(jiàn)交流電機(jī)的身影。電機(jī)系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)直接關(guān)系到各行各業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步，可以說(shuō)，電機(jī)系統(tǒng)，在現(xiàn)代科技產(chǎn)品中扮演著不可或缺的角色。
提到交流電機(jī)，大多數(shù)人首先想到的或許是經(jīng)典的三相電機(jī)。傳統(tǒng)三相電機(jī)系統(tǒng)，以其成熟的技術(shù)和廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，成為了工業(yè)領(lǐng)域的基石。然而，伴隨著社會(huì)需求日益多元化與高端化，對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的性能需求也隨之邁向了“更高、更快、更強(qiáng)”的新高度。尤其是在航空航天、軌道交通、電動(dòng)汽車(chē)等應(yīng)用領(lǐng)域，伴隨著電機(jī)系統(tǒng)功率等級(jí)的不斷攀升，傳統(tǒng)三相制供電的局限性日益凸顯。如何進(jìn)一步提升電驅(qū)系統(tǒng)的輸出功率，以滿足日益嚴(yán)苛的應(yīng)用需求，成為了當(dāng)前電驅(qū)技術(shù)發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)與瓶頸。
眾所周知，在電學(xué)領(lǐng)域，功率可以表示為電壓與電流的乘積：
P=UI
其中，U、I分別為單相電壓、單相電流的額定有效值。而對(duì)于一臺(tái)經(jīng)典的三相電機(jī)，由于三相電機(jī)存在三套對(duì)稱功率繞組，因此，三相電機(jī)的輸出功率公式還應(yīng)在上式的基礎(chǔ)上乘以相數(shù)，其額定輸出功率可以表示為如下公式：
P=3UI
?
根據(jù)上述公式，顯然，如果一臺(tái)三相電機(jī)想要進(jìn)一步提高輸出功率，只能提升電壓或電流的有效值，但這在實(shí)際應(yīng)用中往往面臨著諸多挑戰(zhàn)。變頻設(shè)備需要承受更高電壓或電流，對(duì)絕緣、散熱、電磁兼容等提出了更高要求，同時(shí)增加了成本與技術(shù)難度。在諸如艦船推進(jìn)等應(yīng)用場(chǎng)景中，由于供電電壓和內(nèi)部空間的有限性，單純依賴提升電壓或電流來(lái)增強(qiáng)輸出功率可能并非最優(yōu)解。
那么，如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？
相信聰明的你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，我們還有一個(gè)看似是常數(shù)，實(shí)則為變量的系數(shù)——電機(jī)相數(shù)還沒(méi)有利用。顯然，解鎖功率限制的鑰匙，就潛藏在電機(jī)相數(shù)之中。這就是我們今天所探討的主角——多相電機(jī)。
多相電機(jī)，顧名思義，是在傳統(tǒng)三相電機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加可控相數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)性能飛躍的新型電機(jī)。相較于三相電機(jī)，多相電機(jī)在相同功率等級(jí)下，顯著降低了每相橋臂與繞組所承受電流應(yīng)力，可以使用低功率等級(jí)器件實(shí)現(xiàn)大功率調(diào)速。多相電機(jī)系統(tǒng)憑借這一獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在艦船推進(jìn)、航空航天、軌道交通等應(yīng)用場(chǎng)合中，正逐步成為業(yè)界矚目的焦點(diǎn)并受到越來(lái)越多的青睞。
2
三相電機(jī)vs多相電機(jī)：不僅僅是數(shù)字的堆砌
通過(guò)上面的介紹，我們已經(jīng)知道，電機(jī)系統(tǒng)的多相化拓展是一種突破功率等級(jí)限制的有效手段。但多相電機(jī)能做的遠(yuǎn)不止如此。
2.1
容錯(cuò)能力——故障亦能行
首先，讓我們談?wù)劧嘞嚯姍C(jī)的一大優(yōu)勢(shì)——可靠性。在工業(yè)應(yīng)用中，電機(jī)系統(tǒng)往往需承受來(lái)自高溫、潮濕、粉塵等惡劣環(huán)境條件的挑戰(zhàn)，在巨大的電磁熱負(fù)荷中有著較高的故障幾率。如不及時(shí)加以處理，整個(gè)系統(tǒng)可能會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。
對(duì)于一臺(tái)交流電機(jī)，其能夠維持健康工作，保證正常輸出的前提，是各相繞組電流合成的磁動(dòng)勢(shì)為一圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，保證了輸出轉(zhuǎn)矩的平滑。
圓形磁動(dòng)勢(shì)
對(duì)于經(jīng)典半橋拓?fù)涔╇姷娜嚯姍C(jī)，當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障后（以斷相故障為例），故障相電流將強(qiáng)制約束為零。根據(jù)電路原理中KCL定律，剩余健康兩相繞組僅能流過(guò)大小相同，方向相反的電流。此時(shí)，剩余兩相繞組電流僅能合成脈振磁動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致電機(jī)僅能輸出脈振轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量大幅下降。在多電飛機(jī)等對(duì)可靠性要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景下，這種故障是難以接受甚至是毀滅性的。
脈振磁動(dòng)勢(shì)
而多相電機(jī)則不同，更多的可控繞組，意味著各相之間互為冗余備份。當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)的某相或幾相出現(xiàn)故障時(shí)，剩余的健康相能夠合成橢圓磁動(dòng)勢(shì)，依然可以確保電機(jī)持續(xù)運(yùn)行，但是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有所增大。另外，如果引入容錯(cuò)控制，對(duì)剩余的健康相進(jìn)行電流參考值的調(diào)整，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)圓形磁動(dòng)勢(shì)的合成。雖然容錯(cuò)運(yùn)行下電機(jī)系統(tǒng)的性能可能有所下降（例如損耗增加、峰值轉(zhuǎn)矩降低），但足以保證輸出轉(zhuǎn)矩的平滑性和穩(wěn)定性，繼續(xù)為系統(tǒng)提供可靠動(dòng)力。這種容錯(cuò)能力，對(duì)于關(guān)鍵設(shè)備和具有高可靠性需求的場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，大大強(qiáng)化了系統(tǒng)整體的安全性。
橢圓型磁動(dòng)勢(shì)
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一臺(tái)電機(jī)就像一把特殊的“凳子”，電機(jī)的各相繞組及對(duì)應(yīng)橋臂就像一條條“凳腿”。對(duì)于三相電機(jī)，其健康運(yùn)行下?lián)碛腥龡l正常的“凳腿”，因此能夠維持“凳子”的穩(wěn)定；而當(dāng)任何一條“凳腿”斷裂，“凳子”也將無(wú)法維持平穩(wěn)。但對(duì)于多相電機(jī)，其所擁有的“凳腿”足夠多，在有限數(shù)量的“凳腿”斷裂下都能維持“凳子”的穩(wěn)定。
未完待續(xù)…
