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作者簡介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎(jiǎng)作品，來自華中科技大學(xué)劉自程、王光宇、朱榮培、蔣棟、羅翔宇、包木建、朱梓豪等投稿。

本期文章將繼續(xù)帶您探索多相電機(jī)的奇妙世界。

2、三相電機(jī)vs多相電機(jī)：不僅僅是數(shù)字的堆砌

如果說容錯(cuò)能力是多相電機(jī)的“硬實(shí)力”，那么共模電壓抑制則是其“軟實(shí)力”的展現(xiàn)。

電機(jī)運(yùn)行過程中需要根據(jù)不同工況改變功率、調(diào)整轉(zhuǎn)速，這由電機(jī)輸入的交流電壓決定。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)交流電壓的簡易調(diào)控已經(jīng)成為一大主流。變頻器并不直接輸出連續(xù)的正弦電壓波形，而是利用半導(dǎo)體器件高速開關(guān)形成的高頻方波逼近所需要的正弦波，這一過程稱為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）。PWM技術(shù)在提高電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的同時(shí)，也產(chǎn)生了“共模電壓”這一副產(chǎn)品。

共模電壓指各相電壓共有的部分，對于常見的三相兩電平逆變器，共模電壓即為三相電壓的平均值。以一個(gè)開關(guān)周期（通常在微秒級(jí)）內(nèi)的三相PWM電壓為例，當(dāng)某相狀態(tài)為1時(shí)，代表該相電壓為正電壓（Vdc），為0時(shí)則表示負(fù)電壓（-Vdc），從下圖可以看到三相疊加產(chǎn)生共模電壓的過程。共模電壓的幅值和跳變頻率越高，對系統(tǒng)產(chǎn)生的危害越大。

共模電壓一方面會(huì)產(chǎn)生共模漏電流，侵蝕繞組絕緣和電機(jī)軸承，嚴(yán)重影響電機(jī)使用壽命；另一方面會(huì)對外輻射高頻電磁干擾，影響周邊用電設(shè)備的正常工作。

若能從電磁干擾的源頭上對共模電壓進(jìn)行主動(dòng)抑制甚至消除，這顯然相比于在系統(tǒng)中加裝共模濾波器等被動(dòng)方法具有體積與成本上的優(yōu)勢。共模電壓因調(diào)制而產(chǎn)生，可以改進(jìn)軟件調(diào)制算法優(yōu)化系統(tǒng)的共模特性。從三相共模的例子可以看出，共模電壓的電平變化是由某一相的電壓狀態(tài)改變引起的，同時(shí)共模電壓最大幅值源于此時(shí)三相電壓狀態(tài)均為1或0。所以，如果我們能改變每一相電壓的分布位置（相位），分散三相電壓的重疊程度，就能改善共模電壓的波形。

對于三相電機(jī)，其調(diào)制自由度有限，無論如何改變各相電壓相位，都有一相電壓無法被抵消，因而無法完全消除共模電壓。但對于多相電機(jī)，其具有更多的相數(shù)，各相電壓的組合關(guān)系更為豐富，使得共模電壓的消除成為可能。例如對于雙三相電機(jī)，使六相電壓在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)首尾相接，可以實(shí)現(xiàn)“零共模電壓”的效果。

2.3主動(dòng)減振降噪——電機(jī)系統(tǒng)的消音器

在日常生活中，大家一定被電機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)“嗡嗡”聲困擾過，買電風(fēng)扇等家用電器時(shí)也會(huì)關(guān)注它的靜音性能。電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是造成電機(jī)振動(dòng)的重要原因，長期的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)及其連接部件的松動(dòng)、磨損加劇，在數(shù)控機(jī)床等高端加工場合，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)影響加工表面的光潔度和尺寸精度。

電機(jī)定子繞組中的交變基頻電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場作為機(jī)電轉(zhuǎn)化的媒介，對電機(jī)轉(zhuǎn)子形成恒定電磁轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，這是電動(dòng)機(jī)工作的基本原理。然而，逆變器除了向電機(jī)提供所需的基頻交流電壓外，還注入了開關(guān)頻次的高頻諧波電壓，從而感生出高頻諧波電流。高頻諧波電流同樣會(huì)在電機(jī)氣隙中形成高頻諧波磁場，形成了高頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

不過別擔(dān)心，得益于多相電機(jī)相數(shù)增多而帶來的豐富調(diào)制自由度，同樣可以從PWM調(diào)制入手，降低電機(jī)高頻噪聲。以雙三相電機(jī)為例，兩套三相繞組的高頻諧波電流分別產(chǎn)生兩個(gè)相對獨(dú)立的高頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。通常情況下，兩組高頻電流的相位是相同的，因而產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩是同向的，此時(shí)兩個(gè)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩是標(biāo)量疊加關(guān)系，因此幅值會(huì)比較大。當(dāng)我們對調(diào)制時(shí)的載波進(jìn)行相應(yīng)移相，可以使兩組高頻電流的相位關(guān)系發(fā)生改變，從而改變轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的矢量合成關(guān)系。

很顯然，如果兩個(gè)高頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可以反相，剛好對消，那么此時(shí)合成的高頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，可以獲得相對平滑的電機(jī)總轉(zhuǎn)矩Tem。對于二倍開關(guān)頻附近的電流諧波，載波移相90°，可使對應(yīng)的高頻電流相位差180°，高頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)相互抵消，此時(shí)二倍開關(guān)頻處的高頻振動(dòng)將得到最大程度的抑制。