Многофазные асинхронные двигатели: руководство по управлению пяти- и шестифазными системами

1. Что считается многофазным асинхронным двигателем?

В этом руководстве, многофазный означает более трёх электрических фаз. Двигатель может использовать равномерно распределённые фазы по окружности статора, например пятифазный двигатель с угловым шагом между фазами 72°, либо сочетать несколько трёхфазных обмоток, как, например, шестифазный двигатель, состоящий из двух трёхфазных систем.

Количество фаз не следует путать с количеством полюсов. Счёт фазы описывает независимые токовые цепи статора; Количество полюсов определяет синхронную скорость при заданной частоте питающего напряжения. Шестифазный двигатель с четырьмя полюсами и трёхфазный двигатель с четырьмя полюсами имеют одинаковое уравнение синхронной скорости, хотя их обмоточные и приводные системы весьма различны.

2. Многофазное вращающееся магнитное поле

Для m‑фазной сбалансированной системы электрическое фазовое смещение равно:

Δ\theta_e=360^\circ/m

Идеальные синусоидальные фазовые напряжения можно записать в виде:

v_k(t)=V_m\sin\left(ω_et-2π(k-1)/m\right),\quad k=1,2,\ldots,m

Распределённые обмотки статора, питаемые этими сбалансированными токами, создают вращающееся магнитное поле. Как и в трёхфазном двигателе, скорость вращения поля зависит от электрической частоты и общего числа полюсов:

N_s=120f/P

Принцип вращающегося магнитного поля принципиально не меняется при увеличении числа фаз свыше трёх. Изменяются лишь способ пространственного синтеза МДС обмотки, набор доступных векторов напряжения, подпространства токов, аппаратные средства инвертора, а также варианты перераспределения токов в условиях отказа.

3. Зачем добавлять фазы? Преимущества и компромиссы

Многофазная машина распределяет электрическую нагрузку по большему числу фазных цепей. Это позволяет снизить ток в каждой фазе при заданной суммарной мощности, предоставить больше коммутационных векторов инвертора и обеспечить степень свободы для независимого управления крутящими моментами и гармоническими токами. В некоторых архитектурах машина может продолжать работать при пониженный выдача сигнала после обрыва одной фазы или отказа одной ветви инвертора, а не немедленное отключение.

Однако увеличение числа фаз не гарантирует повышения эффективности, удельной мощности или надёжности. Дополнительные обмотки требуют большего количества выводов, плеч преобразователей, драйверов затворов, датчиков, программного обеспечения и согласования изоляции. Неисправность по‑прежнему может распространяться через общий шинный постоянный ток, общий нулевой провод, общую систему охлаждения или контроллер. Реальная выгода определяется с учётом полного дерева отказов и термического проектирования после возникновения неисправности.

В опубликованном в 2022 году рецензируемом обзоре описывается широкий спектр неисправностей, схем подключения, топологий инверторов и методов реконфигурации после возникновения неисправности в многофазных приводах переменного тока [1]. Правильный инженерный вывод заключается не в том, что каждый многофазный двигатель является «устойчивым к неисправностям», а в том, что многофазные архитектуры способны обеспечить… спроектированная, проверенная отказоустойчивость более достижимо.

4. Пятифазная, шестифазная и многофазная трёхфазная топологии

Пятифазные машины

Пятифазная машина использует фазовые оси, разделённые на 72 электрических градуса. Её часто анализируют с помощью разложения векторного пространства на плоскость α‑β, связанную с основным полем, создающим крутящий момент и магнитный поток, плоскость x‑y, соответствующую дополнительным гармоническим составляющим, и компоненту нулевой последовательности, зависящую от типа соединения.

Двухуровневый пятифазный инвертор имеет пять плеч. Каждое плечо может принимать два коммутационных состояния, поэтому идеальное число комбинаций переключений равно:

N_состояний=2^m=2^5=32

В пятиэтапном исследовании асинхронного двигателя, проведённом компанией IntechOpen, рассматривается случай двухуровневого инвертора с 32 состояниями, включающий 30 активных и 2 нулевых вектора [2]. Дополнительные векторы обеспечивают гибкость управления, однако требуют наличия контроллера, способного выбирать соответствующие состояния при одновременном ограничении тока, гармонических потерь, коммутационных потерь и ошибки крутящего момента.

Шестифазные машины

Шестифазные машины обычно реализуются либо в виде симметричной шестифазной обмотки, либо как две трёхфазные системы. Двухтрёхфазная система может использовать раздельные нейтральные точки и электрическое смещение между двумя группами для уменьшения взаимной связи или реализации специальных стратегий управления неисправностями. Шестифазные машины являются практичными, поскольку их конструкция близка к привычной трёхфазной, а также совместима с модульными концепциями инверторов.

В исследовании 2021 года, посвящённом шестифазному асинхронному двигателю, отмечается, что увеличение числа фаз приводит к росту размера инвертора и усложнению системы управления, хотя при этом рассматривается топология, обеспечивающая повышение надёжности и снижение пульсаций крутящего момента [3]. Это наглядно иллюстрирует ключевой компромисс многоканальных систем: дополнительные функциональные возможности достигаются за счёт увеличения аппаратных затрат и усложнения алгоритмов управления.

Девятифазные и более высокофазные машины

Девятифазные системы часто объединяют три трёхфазных набора обмоток. Такие конфигурации наиболее актуальны в системах высокой мощности или повышенной надёжности, где модульные секции преобразователей, распределение тока и учёт определённых аварийных режимов оправдывают дополнительные усилия по повышению степени интеграции.

5. Основные электрические и механические уравнения

Многие фундаментальные уравнения хорошо известны из анализа трёхфазных асинхронных машин, однако выражения для входной мощности и потерь в медных обмотках при сбалансированных режимах пропорциональны числу фаз.

Сбалансированная входная мощность

Для сбалансированного действующего значения фазового напряжения V_ph, фазового тока I_ph и коэффициента мощности \cos\phi:

Пин = mV_фI_ф\cos\phi

Для сбалансированной трёхфазной системы это сводится к хорошо известному выражению \sqrt3V_LI_L\cos\phi при учёте соответствующих соотношений между линией и фазой. Для многофазных обмоток необходимо уточнить, относятся ли указанные в публикациях значения к соединению фаз‑к‑нейтрали или линия‑линия, являются ли они действующими (RMS), пиковыми и привязаны ли они к фактическому соединению звездой, многоугольником или изолированной нейтралью.

Потери меди

Выражение для потерь меди в статоре при первом проходе имеет вид:

P_Cu,s=mI_ph,rms²R_ph

Это необходимо расширить с учётом неравных фазовых токов, гармоник, зависимости сопротивления от температуры, потерь в концевых обмотках, потерь в роторе асинхронных машин, а также потерь на проводимость и переключение инвертора.

Скольжение асинхронного двигателя и преобразование мощности

s=N_s-N_r/N_s

P_r,Cu=sP_ag

P_мех,разр=(1-s)P_аг

Где P_ag — мощность в воздушном зазоре. Высокий скольжения означает, что большая часть мощности в воздушном зазоре преобразуется в теплоту ротора, что особенно важно при пуске, в режимах низкой скорости с высоким моментом и в условиях работы с пониженной мощностью после аварии.

Электромагнитный момент и мощность на валу

T_e=\fracP_mech,devω_m

Pвал = Tвалωм = \frac{2π nTвал}{60}

6. Разложение векторного пространства: плоскости крутящего момента и гармонические плоскости

Полезным подходом к анализу многофазной машины является преобразование фазовых величин в ортогональные подпространства. В пятифазной машине подпространство α‑β связано с основным вращающимся полем, тогда как подпространство x‑y отражает дополнительные гармонические компоненты. Компонента нулевой последовательности может иметь значение в зависимости от схемы соединения обмоток и наличия нейтрали.

Концептуально:

\begin{bmatrix} i_α\\ i_\beta\\ i_x\\ i_y\\ i_0 \end{bmatrix} = \mathbfT_5 \begin{bmatrix} i_a\\ i_b\\ i_c\\ i_d\\ i_e \end{bmatrix}

Матрица преобразования \mathbfT_5 зависит от порядка фаз и нормировки. В штатном режиме работы контроллер обычно регулирует α‑β‑ток, создающий крутящий момент и магнитный поток, одновременно минимизируя гармонические токи в плоскости, не участвующие в генерации крутящего момента, чтобы снизить потери и нагрев. В анализе управления при отказах, представленном изданием IntechOpen, отмечается, что в штатном режиме компоненты тока по осям x и y равны нулю и в данном режиме не вносят вклад в формирование магнитного потока или крутящего момента [2].

Когда открывается одна из фаз, обычно независимые подсистемы могут оказаться взаимосвязанными. Регулятор должен корректировать опорные значения токов и векторы напряжений; простое задание исходных синусоидальных токов для оставшихся фаз может привести к перегрузке по току, пульсациям момента, ухудшению регулирования скорости или перегреву.

7. Архитектура инвертора и управление приводом

Многофазный двигатель требует соответствующего многопhазного преобразователя. Пятифазный двухуровневый инвертор напряжения обычно состоит из пяти плеч и десяти активных полупроводниковых ключей; шестифазный инвертор — из шести плеч и двенадцати активных ключей. Многотрёхфазные машины могут вместо этого использовать несколько трёхфазных инверторных модулей, что позволяет упростить модульную конструкцию, но одновременно порождает вопросы координации и изоляции.

Методы контроля

Скалярное управление V/Hz изменяет частоту и напряжение для поддержания приблизительно постоянного магнитного потока в воздушном зазоре. Он может быть пригоден для простого регулирования скорости, однако менее эффективен в условиях жёсткой динамики или после аварийных режимов.

Векторное управление (FOC) преобразует многофазные токи в управляемые компоненты, формирующие магнитный поток и крутящий момент. Он способен плавно регулировать крутящий момент, управлять ограничениями тока и реализовывать ослабление поля. Однако для его работы необходимы точные параметры машины, измерение тока, точная синхронизация инвертора и хорошо настроенные контуры управления.

Прямое управление моментом (DTC) Выбирает векторы напряжения для прямого управления моментом и магнитным потоком. Модельное предиктивное управление (MPC) Прогнозирует будущее поведение крутящего момента, магнитного потока и тока для рассматриваемых состояний инвертора и выбирает оптимальное состояние на основе функции стоимости. В издании IntechOpen предиктивное управление крутящим моментом для пятифазного асинхронного привода описывается как выбор коммутационных состояний на основе прогнозируемых значений крутящего момента, магнитного потока и тока [2].

8. Устойчивость к сбоям: способность, а не всеобъемлющая гарантия

Наиболее веской причиной для использования многофазного двигателя часто является непрерывность обслуживания после отказа разомкнутой цепи В соответствующей архитектуре детектор неисправностей выявляет потерянную фазу или ветвь инвертора, при необходимости изолирует её и переконфигурирует исправные фазы, обеспечивая сохранение управляемого вращающегося магнитного поля. В результате двигатель может работать с пониженным моментом или скоростью, пока основная система переходит в безопасное или эксплуатационное состояние.

Результатом является не «свободная избыточность». Это Редуцированный, управляемый режим работы . Оставшиеся фазы могут требовать большего тока, что приводит к росту потерь в меди. Контроллеру, возможно, потребуется подавать нестандартные токи в фазах. Пульсации момента могут увеличиться. Максимальная скорость и максимальный момент могут снизиться. Короткое замыкание, отказ изоляции, общая неисправность постоянного тока на шине, повреждение ротора или выход из строя системы охлаждения при использовании той же стратегии могут оказаться непереносимыми.

В главе, посвящённой управлению при неисправностях в пяти фазах, сообщается, что перенастроенный регулятор способен обеспечивать стабильную работу после возникновения однофазного замыкания при пониженной номинальной крутящей силе, при условии реализации идентификации неисправности и перенастройки системы управления [2].

9. Пример работы шестифазного асинхронного двигателя

Предположим, что шестифазный асинхронный двигатель с 6 полюсами питается от сети частотой 50 Гц и работает на скорости 970 об/мин, развивая валовую мощность 12 кВт. Для отдельной предварительной электрической оценки примем следующие исходные данные: симметричное действующее значение фазного напряжения — 230 В, коэффициент мощности — 0,86, а электрическая входная мощность — 15 кВт.

N_s=120×50/6=1 000 об/мин

s=1000-970/1000=0,03=3%

f_r=0,03×50=1,5\ Гц

ω_m=2π×970/60=101,58\ рад/с

Tшахт=\frac12,000101.58≈118.14\ Н·м

Используя сбалансированное многофазное соотношение входной мощности для указанных иллюстративных значений:

I_ph≈\frac15,0006×230×0.86≈12.64\ A

Это делает не Определяет конечный номинал двигателя. В расчёте не учитываются детали подключения фаз, гармоники инвертора, пульсации тока, зависимость сопротивления от температуры, распределение обмотки, потери в роторе, потери в кабеле, а также перераспределение тока после аварии. Его цель — продемонстрировать, как количество фаз, скорость, крутящее момент, входная мощность и ток вписываются в первоначальный расчёт системы.

10. Рабочий процесс выбора для многофазного асинхронного привода

Вопрос выбора заключается не просто в том: «Стоит ли использовать пять или шесть фаз?» — а в следующем: «Какие требования к доступности, крутящему моменту, силовой электронике и сертификации невозможно удовлетворить более экономично с помощью традиционной трёхфазной машины?» Если на этот вопрос нет убедительного ответа, стандартное трёхфазное решение может оказаться более практичным.

11. Термическое управление и снижение мощности

Большее число фаз позволяет снизить номинальный ток в одной фазе, однако тепловой анализ по‑прежнему остаётся обязательным. В нормальном режиме потери в меди распределяются по всем обмоткам. После аварии меньшее число фаз может нести больший ток, и потери возрастают пропорционально квадрату тока. Кратковременная аварийная работа может быть допустима даже при отсутствии возможности поддерживать непрерывный крутящий момент после аварии.

Обоснованная спецификация продукта должна предусматривать как минимум два рабочих диапазона: нормальная непрерывная способность и Послеаварийная способность , включая ограничение по времени, окружающую среду, условия охлаждения, максимальный крутящий момент, максимальную скорость, ограничение тока и допустимый тип неисправности.

12. Сферы применения, в которых целесообразно использовать многофазные приводы

Многофазные асинхронные двигатели преимущественно выбирают для применений, где высоки издержки от прерывания работы или когда мощность, крутящий момент и структура управления привода выигрывают от дополнительных фаз. В издании IntechOpen отмечается, что критически важные по безопасности области — такие как системы движения, электрические самолёты и электромобили — стали теми сферами, где многофазные двигатели привлекли особое внимание [2]. В исследовании шестифазного асинхронного двигателя также говорится о растущем интересе к таким приложениям, как насосы и компрессоры [3].

13. Техническое обслуживание, мониторинг и диагностика

Многофазные приводы требуют более совершенной диагностической стратегии по сравнению с традиционными двигателями, поскольку дополнительное оборудование порождает дополнительные наблюдаемые состояния. При техническом обслуживании следует отслеживать токи фаз, напряжения фаз, температуру обмоток, температуру инвертора, поведение шины постоянного тока, состояние изоляции, вибрацию подшипников, сигналы обратной связи по скорости и положению, а также коды неисправностей — а не ограничиваться лишь проверкой вращения вала.

Заключение: многофазные двигатели — это выбор архитектуры, а не просто увеличение числа фаз.

Многофазные асинхронные двигатели расширяют принцип вращающегося магнитного поля за пределы трёх фаз. Пятифазные, шестифазные и многотрёхфазные машины способны обеспечивать функции распределения тока, управления и управления отказами, которые трудно реализовать при использовании традиционной трёхфазной схемы. Эти возможности особенно ценны в требовательных областях применения — но лишь при условии, что двигатель вместе с его инвертором, системой измерения параметров, программным обеспечением, тепловой системой и архитектурой безопасности спроектирован как единый проверенный привод.

Для новой системы исходите из требуемого нормального и ухудшенного диапазона крутящего момента — частоты вращения, перечня конкретных неисправностей, которые необходимо допускать, доступной энергетической архитектуры, а также стоимости простоев. Затем сравните многофазное решение с лучшим трёхфазным вариантом по показателям жизненного цикла, а не только по номинальной мощности. Такой строгий подход позволяет определить те области применения, где многофазные асинхронные двигатели обеспечивают реальную устойчивость и производительность, а не излишнюю сложность.

Список литературы

Примечание редакции: Настоящая статья предназначена для целей инженерного образования и предварительного выбора продукции. Многофазные машины и отказоустойчивые приводы требуют квалифицированной проверки электрических, тепловых, механических характеристик, а также соответствия требованиям ЭМС, функциональной безопасности и программного обеспечения. Окончательные решения по выбору двигателя, инвертора, уровню покрытия отказов, допустимым нагрузкам после возникновения неисправности, кабельным соединениям, системам защиты и сертификации должны быть подтверждены документацией поставщика и проверены в условиях эксплуатации, предусмотренных для данного применения.

• [1] Епес и др. — Всеобъемлющий обзор методов обеспечения отказоустойчивости в многофазных асинхронных приводах, часть 1
• [2] Хабибулла, Дебанатх и Саббир — Отказоустойчивое управление пятифазным асинхронным электродвигателем
• [3] Абделванис и др. — Реализация и управление шестифазным асинхронным двигателем, питаемым от трёхфазного источника питания
• [4] EEPower — Изучение трёхфазных двигателей: типы и принципы работы