多相电机的奇妙世界(2)：三相电机vs多相电机

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本文是第二届电力电子科普征文大赛的获奖作品，来自华中科技大学刘自程、王光宇、朱荣培、蒋栋、罗翔宇、包木建、朱梓豪等投稿。

多相电机的奇妙世界(1)：从三相到多相的跨越

本期文章将继续带您探索多相电机的奇妙世界。

2

三相电机vs多相电机：不仅仅是数字的堆砌

2.2

共模电压抑制——电磁干扰克星

如果说容错能力是多相电机的“硬实力”，那么共模电压抑制则是其“软实力”的展现。

电机运行过程中需要根据不同工况改变功率、调整转速，这由电机输入的交流电压决定。随着电力电子技术发展，使用变频器驱动电机，实现交流电压的简易调控已经成为一大主流。变频器并不直接输出连续的正弦电压波形，而是利用半导体器件高速开关形成的高频方波逼近所需要的正弦波，这一过程称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）。PWM技术在提高电机动态响应性能的同时，也产生了“共模电压”这一副产品。

共模电压指各相电压共有的部分，对于常见的三相两电平逆变器，共模电压即为三相电压的平均值。以一个开关周期（通常在微秒级）内的三相PWM电压为例，当某相状态为1时，代表该相电压为正电压（Vdc），为0时则表示负电压（-Vdc），从下图可以看到三相叠加产生共模电压的过程。共模电压的幅值和跳变频率越高，对系统产生的危害越大。

共模电压一方面会产生共模漏电流，侵蚀绕组绝缘和电机轴承，严重影响电机使用寿命；另一方面会对外辐射高频电磁干扰，影响周边用电设备的正常工作。

若能从电磁干扰的源头上对共模电压进行主动抑制甚至消除，这显然相比于在系统中加装共模滤波器等被动方法具有体积与成本上的优势。共模电压因调制而产生，可以改进软件调制算法优化系统的共模特性。从三相共模的例子可以看出，共模电压的电平变化是由某一相的电压状态改变引起的，同时共模电压最大幅值源于此时三相电压状态均为1或0。所以，如果我们能改变每一相电压的分布位置（相位），分散三相电压的重叠程度，就能改善共模电压的波形。

对于三相电机，其调制自由度有限，无论如何改变各相电压相位，都有一相电压无法被抵消，因而无法完全消除共模电压。但对于多相电机，其具有更多的相数，各相电压的组合关系更为丰富，使得共模电压的消除成为可能。例如对于双三相电机，使六相电压在每个开关周期内首尾相接，可以实现“零共模电压”的效果。

2.3

主动减振降噪——电机系统的消音器

在日常生活中，大家一定被电机工作时的振动“嗡嗡”声困扰过，买电风扇等家用电器时也会关注它的静音性能。电机转矩脉动是造成电机振动的重要原因，长期的振动会导致电机及其连接部件的松动、磨损加剧，在数控机床等高端加工场合，转矩脉动会影响加工表面的光洁度和尺寸精度。

电机定子绕组中的交变基频电流产生旋转磁场，该磁场作为机电转化的媒介，对电机转子形成恒定电磁转矩，从而驱动电机旋转，这是电动机工作的基本原理。然而，逆变器除了向电机提供所需的基频交流电压外，还注入了开关频次的高频谐波电压，从而感生出高频谐波电流。高频谐波电流同样会在电机气隙中形成高频谐波磁场，形成了高频转矩脉动。

不过别担心，得益于多相电机相数增多而带来的丰富调制自由度，同样可以从PWM调制入手，降低电机高频噪声。以双三相电机为例，两套三相绕组的高频谐波电流分别产生两个相对独立的高频脉动转矩。通常情况下，两组高频电流的相位是相同的，因而产生的脉动转矩是同向的，此时两个脉动转矩是标量叠加关系，因此幅值会比较大。当我们对调制时的载波进行相应移相，可以使两组高频电流的相位关系发生改变，从而改变转矩脉动的矢量合成关系。

很显然，如果两个高频转矩脉动可以反相，刚好对消，那么此时合成的高频转矩脉动最小，可以获得相对平滑的电机总转矩Tem。对于二倍开关频附近的电流谐波，载波移相90°，可使对应的高频电流相位差180°，高频转矩脉动相互抵消，此时二倍开关频处的高频振动将得到最大程度的抑制。

未完待续…

敬请期待下期精彩~