由於長期以來傳統三相供電制的確立和發展，在交流電氣傳動領域，三相電機及其調速驅動系統被廣泛應用。在冶金軋鋼、礦井提升、機車牽引、船舶推進等應用場合，對於調速傳動功率的需求不斷增大，通常采用的手段是提高電壓、增大電流。然而，受到功率開關器件耐壓及耐流值的限制，一般需要采用多電平技術或者開關器件串、並聯技術來實現大功率的三相變頻調速。

實現大功率傳動的另外一種解決思路是增加電機的相數，降低對逆變器每相容量的要求。由於電力電子變頻器的廣泛應用，電機驅動完全可以不受三相供電系統限制，采用多相（相數多於三相）逆變器供電同樣可以實現大功率交流傳動^[1]。

與三相電機傳動系統相比，多相感應電機系統具有以下突出的優勢：

1. 可以使用低功率等級器件實現低壓大功率調速。同等功率的三相驅動系統若改裝為多相系統，單相的供電電壓會下降，特別適合於電力艦船推進系統、電力機車牽引系統等供電電壓本身受限的大功率應用場合。
2. 轉矩脈動頻率增加且幅值減小。空間諧波磁動勢是產生轉矩脈動的直接原因，隨著相數的增加，多相電機的基波電流產生的空間諧波磁動勢的次數提高而幅值減小，從而使得轉矩脈動得到優化，電機運行的效率也得到提高。
3. 具有較強的容錯能力，可靠性提高。由於多相電機相數的冗餘，當多相電機或者多相變頻器的一相或者幾相出現故障時，可以采用適當的控制策略，使得電機在斷相的情況下降功率運行，而無需重新起動或停機。
4. 多相電機的控制資源更多，控制靈活度更高。電機的可控維數等於電機的獨立相數；所以，多相電機比三相電機具有更多的控制自由度。利用這些自由度，可以實現更高的控制性能。比如對於整距繞組的多相電機，通過在相電流中註入一定的低次諧波，使得氣隙磁場分佈為平頂波，可以提高電機鐵心的利用率和電機的功率密度。

1 多相電機相數的定義

多相電機的相數定義為：當電機繞組數為2n，每個磁軸上有兩個繞組，電機有2n個出線端，則稱為2n相電機；若每個磁軸上的兩個繞組被替換為單一繞組，電機有n個出線端，則稱為半2n相電機^[2]。

多相繞組物理模型

上圖將 m 相繞組拆分為 N 套彼此相同但互錯一定角度的 h 相繞組。其中，各套繞組的編號用數字表示，各套繞組中的相繞組編號用字母表示^[3]。

• 每套 h 相繞組內，相鄰兩相繞組間的夾角均 為 360° / h
• 半 2n 相繞組的相帶為 360° /2m，2n 相繞組的相帶^{[4]為 360° /m;}
• 半 2n 相繞組的相繞組在一對極內含有兩個相距 180°的相帶。2n 相繞組的相繞組在一對極內隻含有一個相帶。

假定電機相數位m，將其並表示為m=vh以，其中v為素數，h為整數。下表分別給出瞭v=3和v≠3時多相電機相帶角、每極相數、定子最少出線端子數和電機的名稱之間的關系:

多相電機的相數（v=3）33d6b401067987684c79f93d4e25bb4d多相電機的相數（v≠3）

2 多相電機的驅動系統

變頻器除瞭實現相數變換之外，還能夠實現多相電機各種復雜控制算法，提供容錯冗餘控制，滿足多相電機驅動系統調速要求^[5]。

驅動系統

多相橋驅動與多相多電平驅動都是由傳統三相橋驅動方式直接擴展而來，將三相橋逆變器橋臂拓展為多相，為多相電機提供電源。這兩種驅動方式結構簡單，控制方便，並且可以直接應用三相變頻器各種成熟研究成果。

多相H橋驅動結構相對復雜，器件相對較多，電機出線也較多，但是由於各相之間沒有電氣聯系，應此各相之間可以實現各自控制。另外，這種結構還具有可靠性高，冗餘性強等突出優點，當某相發生故障時，可以直接切除，其他各相依然能正常工作。因此，此類結構多相電機驅動系統多用於高可靠性場合，如有些電機如模塊化設計電機多采用此類變頻器。

多逆變器驅動多用於相數為m=a*k多相電機。對於采用 k 個 a 相子繞組連接的多相電機，有 k 個相互隔離的中點，此類電機可以采用 k 個 a 相橋臂逆變器供電，實現 k 個繞組之間電氣隔離。常見的 DTP （雙三相電機 dual-three phase）電機，由於兩個三相繞組之間電氣相互隔離，多采用兩臺普通三相橋逆變器供電方式。

3 多相電機的控制方法

多相電機的基本控制原理與三相電機相類似，不同點在於多相電機驅動系統的控制維度更高，需要同步控制各子空間的電流矢量，以保證定子各相電流的相位、幅值、諧波含量等滿足一定的要求。近幾年來出現瞭很多的控制算法，主要可以分為矢量控制（Vector Control, VC）、直接轉矩控制（Direct Torque Control, DTC ）、模型預測控制（ Model Predictive Control, MPC）三大類。

3.1 矢量控制

在傳統的三相電機矢量控制系統中，利用正交坐標變換，將自然坐標系下的物理量映射到同步旋轉坐標系下，將定子相電流按勵磁分量和轉矩分量進行單獨控制，從而實現矢量控制。多相系統與三相系統矢量控制的基本原理是非常相近的，但有兩個不同點：坐標變換矩陣維數增加，逆變器控制的維度增加。

在大功率多相電機驅動系統中，雙三相電機是最常用的電機，下圖為雙三相電機控制框圖。該控制策略中，電機模型采用雙 d-q 分量簡化模型，每個 d-q 分量模型對應一套三相繞組，電機總的磁場及輸出轉矩為兩套三相繞組之和。轉子磁鏈觀測采用六相模型，電流控制采用雙 d-q 分量控制模式，該控制策略直接將三相電機矢量控制策略直接移植到多相電機控制領域。

雙三相電機矢量控制框圖

3.2 直接轉矩控制

等將三相電機的直接轉矩控制方法推廣應用到五相電機中。由於兩電平逆變器供電的五相電機系統可以產生多達 2^5=32 個電壓空間矢量，根據磁鏈和轉矩的暫態變化選擇電壓矢量時更加靈活，有助於提高轉矩響應、減小定子磁鏈和轉矩脈動等。

另外，直接轉矩控制的一個重要的缺點是：電機相數越多，需要考慮的電壓矢量和電壓平面就越復雜，實現難度越大，目前的文獻中還沒有發現九相以上多相電機的直接轉矩控制研究。因此，還需要進一步深入研究既能夠方便擴展到任意多相，又能夠協調控制多維空間下磁鏈矢量的直接轉矩控制方法。

86853e5a5a54e9eb240f9f69f0525e6b雙三相電機直接轉矩控制框圖

3.3 模型預測控制

模型預測控制自 20 世紀 70 年代末出現以後，逐漸被引入到電力電子及電機驅動控制中。雖然這種控制方法的計算量較大，但是比矢量控制具有更快的轉矩響應，比直接轉矩控制具有更多的控制靈活度。

電流環模型預測控制

對於一個 n 電平逆變器供電下的 m 相電機，其電壓矢量有 n^m 個，隨著電機相數的增加，模 型預測的計算量將呈指數增長，這嚴重限制瞭模型 預測控制在多相電機驅動控制中的應用。目前僅在 兩電平逆變器供電下五相、六相的電機控制中能夠 見到模型預測控制的應用。

4 雙Y移30°六相電機的矢量控制

雙Y移30°永磁同步電機的結構示意圖和矢量圖如下所示^[6]：

1e4e4912316de10a3518ffd8f08c0a77雙Y移30°永磁同步電機的結構示意圖和矢量圖

永磁同步電機雙Y移30°繞組結構就是在同一臺永磁同步電機中采用兩套完全一樣的三相對稱繞組，三相繞組ACE和三相繞組BDF，每套三相繞組在空間錯開30°排列。繞組中分別通以時間上相隔30°電角度的電流。若從電機內 部觀察，雙Y移30°永磁同步電機與30°相帶的對稱十二相電機完全一樣；而從電機外部來看，雙Y移30°永磁同步電機是不對稱的六相系統。

5 五相電機

多相電機驅動系統從逆變器角度可分為半橋和全橋兩種結構。從故障角度分析，半橋結構在容錯運行時需要滿足一定條件，需保證剩餘相電流之和為零。全橋結構由於每一相都進行獨立控制，對零序電流並無約束，但需要兩倍數量的功率器件，會大大增加成本^[7]。

五相電機逆變電路

參考

1. ^《多相電機控制驅動技術研究綜述》劉自程
2. ^《雙Y/雙Y移30°永磁同步電機矢量控制方法研究》李新元
3. ^《多相電機定子繞組改進繞組函數的有限元分析》林鵬
4. ^相帶：每相繞組在每一個磁極所占的區域，通常用電氣角度或槽數表示。
5. ^《多相永磁同步電機控制系統研究》袁飛雄
6. ^《基於繞組不同相移的雙三相永磁同步電動機控制優化分析》趙兵營
7. ^《電動汽車用多相電機驅動系統研究》孔武斌