作者簡介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎作品，來自華中科技大學劉自程、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——電機系統(tǒng)的

技術(shù)進步之路

交流電機，作為現(xiàn)代工業(yè)的“心臟”，已逐漸成為支撐國民經(jīng)濟發(fā)展和國防重要裝備建設(shè)的關(guān)鍵與核心。在現(xiàn)代社會，大至國之重器的“上天入地”，小至日常生活的“衣食住行”，處處都能看見交流電機的身影。電機系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)直接關(guān)系到各行各業(yè)的發(fā)展與進步，可以說，電機系統(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，大多數(shù)人首先想到的或許是經(jīng)典的三相電機。傳統(tǒng)三相電機系統(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，伴隨著社會需求日益多元化與高端化，對電機系統(tǒng)的性能需求也隨之邁向了“更高、更快、更強”的新高度。尤其是在航空航天、軌道交通、電動汽車等應(yīng)用領(lǐng)域，伴隨著電機系統(tǒng)功率等級的不斷攀升，傳統(tǒng)三相制供電的局限性日益凸顯。如何進一步提升電驅(qū)系統(tǒng)的輸出功率，以滿足日益嚴苛的應(yīng)用需求，成為了當前電驅(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。而對于一臺經(jīng)典的三相電機，由于三相電機存在三套對稱功率繞組，因此，三相電機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，如果一臺三相電機想要進一步提高輸出功率，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，對絕緣、散熱、電磁兼容等提出了更高要求，同時增加了成本與技術(shù)難度。在諸如艦船推進等應(yīng)用場景中，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增強輸出功率可能并非最優(yōu)解。

那么，如何解決這個問題呢？

相信聰明的你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，我們還有一個看似是常數(shù)，實則為變量的系數(shù)——電機相數(shù)還沒有利用。顯然，解鎖功率限制的鑰匙，就潛藏在電機相數(shù)之中。這就是我們今天所探討的主角——多相電機。

多相電機，顧名思義，是在傳統(tǒng)三相電機的基礎(chǔ)上，通過增加可控相數(shù)來實現(xiàn)性能飛躍的新型電機。相較于三相電機，多相電機在相同功率等級下，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器件實現(xiàn)大功率調(diào)速。多相電機系統(tǒng)憑借這一獨特優(yōu)勢，在艦船推進、航空航天、軌道交通等應(yīng)用場合中，正逐步成為業(yè)界矚目的焦點并受到越來越多的青睞。

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三相電機vs多相電機：不僅僅是數(shù)字的堆砌

通過上面的介紹，我們已經(jīng)知道，電機系統(tǒng)的多相化拓展是一種突破功率等級限制的有效手段。但多相電機能做的遠不止如此。

2.1

容錯能力——故障亦能行

首先，讓我們談?wù)劧嘞嚯姍C的一大優(yōu)勢——可靠性。在工業(yè)應(yīng)用中，電機系統(tǒng)往往需承受來自高溫、潮濕、粉塵等惡劣環(huán)境條件的挑戰(zhàn)，在巨大的電磁熱負荷中有著較高的故障幾率。如不及時加以處理，整個系統(tǒng)可能會受到嚴重影響，甚至導致整個系統(tǒng)癱瘓。

對于一臺交流電機，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勢為一圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，保證了輸出轉(zhuǎn)矩的平滑。

圓形磁動勢

對于經(jīng)典半橋拓撲供電的三相電機，當電機系統(tǒng)出現(xiàn)故障后（以斷相故障為例），故障相電流將強制約束為零。根據(jù)電路原理中KCL定律，剩余健康兩相繞組僅能流過大小相同，方向相反的電流。此時，剩余兩相繞組電流僅能合成脈振磁動勢，導致電機僅能輸出脈振轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)運行質(zhì)量大幅下降。在多電飛機等對可靠性要求極高的應(yīng)用場景下，這種故障是難以接受甚至是毀滅性的。

脈振磁動勢

而多相電機則不同，更多的可控繞組，意味著各相之間互為冗余備份。當電機系統(tǒng)的某相或幾相出現(xiàn)故障時，剩余的健康相能夠合成橢圓磁動勢，依然可以確保電機持續(xù)運行，但是轉(zhuǎn)矩脈動有所增大。另外，如果引入容錯控制，對剩余的健康相進行電流參考值的調(diào)整，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)圓形磁動勢的合成。雖然容錯運行下電機系統(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)提供可靠動力。這種容錯能力，對于關(guān)鍵設(shè)備和具有高可靠性需求的場合來說，大大強化了系統(tǒng)整體的安全性。

橢圓型磁動勢

簡單來說，一臺電機就像一把特殊的“凳子”，電機的各相繞組及對應(yīng)橋臂就像一條條“凳腿”。對于三相電機，其健康運行下?lián)碛腥龡l正常的“凳腿”，因此能夠維持“凳子”的穩(wěn)定；而當任何一條“凳腿”斷裂，“凳子”也將無法維持平穩(wěn)。但對于多相電機，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)…

敬請期待下期精彩~