第1章 概述

1.1 研究背景

交流电机具有高效率、高功率密度，以及结构灵活多变等特点，在电动汽车、风力发电、机车牵引、舰船推进、航空航天等诸多领域得到广泛应用[1]。然而随着我国国防与航空航天事业的不断推进、轨道交通需求的日益扩大，以及发电机单机容量的持续增加，交流电机控制系统正在朝着高压大功率方向发展。据统计我国工业总用电量中有75%的电量消耗在电机系统上[2]，而根据国家《电动机调速技术产业化途径与对策的研究》报告显示，中高压大功率交流电机所消耗的电量在电机总耗电量中的占比达到65%左右。但受到单个电力电子器件容量与功率等级的限制与中高压大功率交流电机相匹配的全功率变换器正面临着单体容量进一步大型化的挑战。

为了满足在不同应用场合下对电机系统变换器大容量、高耐压与低损耗的迫切需求，并进一步提高电机系统运行性能与安全性，国内外学者主要从变流器并联、多相电机、多电平变换器拓扑与绕组开路电机系统等几个方面提出了解决方案。变流器并联系统将多个变流器并联组合后与电机相连，从而构成多通道传输路径，以降低对单组变换器的功率等级要求[3]；多相电机方面主要是利用增加电机的相数来减小每相桥臂对应功率器件的应力，实现提高系统容量的目的，具有效率高，能够同时对基波电流与谐波电流进行控制的特点[4]；而多电平变换器拓扑则是在两电平拓扑基础上，将功率器件进行灵活组合并对应不同的调制方式从而在提高整个控制系统功率等级的同时实现单个功率器件耐压的降级。多电平技术具有改善电能质量，降低系统谐波的特点。目前，应用比较广泛的多电平拓扑主要包括飞跨电容型拓扑、二极管中点箝位型拓扑和级联H桥型拓扑等[5]。不同于上述方法，绕组开路电机系统是将各相绕组连接点打开，构成三相相互独立的绕组结构，如图1-1所示，同时由两个变换器从绕组两端分别供电。同传统单逆变器供电的电机系统相比，绕组开路电机系统由双逆变器完成电机的供电任务，双逆变器可以平均承担电机系统功率，降低了单逆变器的容量要求。