多相電機的奇妙世界(2)：三相電機vs多相電機

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。

多相電機的奇妙世界(1)：從三相到多相的跨越

如果說容錯能力是多相電機的“硬實力”，那么共模電壓抑制則是其“軟實力”的展現。

電機運行過程中需要根據不同工況改變功率、調整轉速，這由電機輸入的交流電壓決定。隨著電力電子技術發展，使用變頻器驅動電機，實現交流電壓的簡易調控已經成為一大主流。變頻器并不直接輸出連續的正弦電壓波形，而是利用半導體器件高速開關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制（Pulse Width Modulation, PWM）。PWM技術在提高電機動態響應性能的同時，也產生了“共模電壓”這一副產品。

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。以一個開關周期（通常在微秒級）內的三相PWM電壓為例，當某相狀態為1時，代表該相電壓為正電壓（V_dc），為0時則表示負電壓（-V_dc），從下圖可以看到三相疊加產生共模電壓的過程。共模電壓的幅值和跳變頻率越高，對系統產生的危害越大。

共模電壓一方面會產生共模漏電流，侵蝕繞組絕緣和電機軸承，嚴重影響電機使用壽命；另一方面會對外輻射高頻電磁干擾，影響周邊用電設備的正常工作。

若能從電磁干擾的源頭上對共模電壓進行主動抑制甚至消除，這顯然相比于在系統中加裝共模濾波器等被動方法具有體積與成本上的優勢。共模電壓因調制而產生，可以改進軟件調制算法優化系統的共模特性。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改變引起的，同時共模電壓最大幅值源于此時三相電壓狀態均為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，其調制自由度有限，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，其具有更多的相數，各相電壓的組合關系更為豐富，使得共模電壓的消除成為可能。例如對于雙三相電機，使六相電壓在每個開關周期內首尾相接，可以實現“零共模電壓”的效果。

在日常生活中，大家一定被電機工作時的振動“嗡嗡”聲困擾過，買電風扇等家用電器時也會關注它的靜音性能。電機轉矩脈動是造成電機振動的重要原因，長期的振動會導致電機及其連接部件的松動、磨損加劇，在數控機床等高端加工場合，轉矩脈動會影響加工表面的光潔度和尺寸精度。

電機定子繞組中的交變基頻電流產生旋轉磁場，該磁場作為機電轉化的媒介，對電機轉子形成恒定電磁轉矩，從而驅動電機旋轉，這是電動機工作的基本原理。然而，逆變器除了向電機提供所需的基頻交流電壓外，還注入了開關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在電機氣隙中形成高頻諧波磁場，形成了高頻轉矩脈動。

不過別擔心，得益于多相電機相數增多而帶來的豐富調制自由度，同樣可以從PWM調制入手，降低電機高頻噪聲。以雙三相電機為例，兩套三相繞組的高頻諧波電流分別產生兩個相對獨立的高頻脈動轉矩。通常情況下，兩組高頻電流的相位是相同的，因而產生的脈動轉矩是同向的，此時兩個脈動轉矩是標量疊加關系，因此幅值會比較大。當我們對調制時的載波進行相應移相，可以使兩組高頻電流的相位關系發生改變，從而改變轉矩脈動的矢量合成關系。

很顯然，如果兩個高頻轉矩脈動可以反相，剛好對消，那么此時合成的高頻轉矩脈動最小，可以獲得相對平滑的電機總轉矩T_em。對于二倍開關頻附近的電流諧波，載波移相90°，可使對應的高頻電流相位差180°，高頻轉矩脈動相互抵消，此時二倍開關頻處的高頻振動將得到最大程度的抑制。