永磁電機(jī)諧波功率抑制研究

[摘" " 要]針對(duì)永磁電機(jī)諧波功率過大會(huì)導(dǎo)致電機(jī)損耗增加，發(fā)熱嚴(yán)重的問題，在電機(jī)控制策略上，采用增加調(diào)制比和調(diào)制深度的方法，降低永磁電機(jī)諧波功率。進(jìn)行不同調(diào)制比和調(diào)制深度的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，增加調(diào)制比的同時(shí)增加調(diào)制深度，能夠顯著降低諧波功率，減少電機(jī)損耗，改善電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重的問題。

[關(guān)鍵詞]永磁電機(jī);諧波功率;調(diào)制比;調(diào)制深度

[中圖分類號(hào)]TM341;TP27 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

與有刷直流電機(jī)以及感應(yīng)電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有調(diào)速范圍寬、功率因數(shù)高、運(yùn)行效率高以及可靠性高等特點(diǎn)，在高精度伺服控制、軌道交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在永磁同步電機(jī)運(yùn)行過程中，由于電機(jī)本體設(shè)計(jì)以及制造導(dǎo)致的氣隙磁場(chǎng)畸變、逆變器的非線性特性等原因，使得電機(jī)輸入功率中存在較多諧波功率，導(dǎo)致電機(jī)損耗增加，發(fā)熱嚴(yán)重。

對(duì)于降低永磁電機(jī)諧波功率，控制策略主要是采用增大調(diào)制比和調(diào)制深度。低調(diào)制比會(huì)影響定子電流的解耦，電流諧波含量增加，波形畸變嚴(yán)重，電機(jī)的諧波損耗增加。但是考慮到開關(guān)器件的開關(guān)損耗問題，最高開關(guān)頻率通常限制在幾百HZ，在增大調(diào)制比情況下進(jìn)一步增加調(diào)制深度。

1 抑制諧波功率的方法

1.1 增加調(diào)制比

首先，采用增加載波分頻數(shù)的方法，即增大載波與調(diào)制波的調(diào)制比。該永磁電機(jī)的控制方法為直接轉(zhuǎn)矩控制。直接轉(zhuǎn)矩控制原理基于以下轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

（1）

式中，np為永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù);Lm、L'S、Lr分別為定轉(zhuǎn)子互感、定子瞬態(tài)電感、轉(zhuǎn)子自感;Ψs為定子磁鏈?zhǔn)噶糠担穎為轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶糠?δ為同步機(jī)的功率角，即Ψs與Ψf的夾角。由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中具有較大慣性，因此在定子磁鏈?zhǔn)噶孔饔孟?，轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康膭?dòng)態(tài)響應(yīng)具有較大滯后。直接轉(zhuǎn)矩控制利用轉(zhuǎn)子這一特點(diǎn)，對(duì)定子磁鏈的幅值與轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，進(jìn)而控制Ψs與δ，使得轉(zhuǎn)矩Te達(dá)到給定值。對(duì)定子磁鏈的控制采用以下表達(dá)式：

ΔΨs=usΔt （2）

即通過控制牽引逆變器輸出不同的三相電平，合成不同的定子電壓空間矢量，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)定子磁鏈幅值與轉(zhuǎn)速的同步控制。

基本的電壓空間矢量有6種，如圖1中綠色矢量所示。在這6種基本電壓空間矢量作用下，磁鏈的波形為圖1中藍(lán)色曲線所示的六邊形，因此6次諧波產(chǎn)生的諧波功率占據(jù)總諧波功率的主要部分。

采用多分頻的控制方式是利用SVPWM（電壓空間矢量PWM）調(diào)制方式，基于6種基本電壓矢量合成更多的電壓空間矢量。空間矢量越多，則定子磁鏈的運(yùn)行軌跡越接近圓形，諧波抑制效果越好。利用SVPWM調(diào)制方式（三分頻），基于6種基本電壓矢量可以合成另外12種空間矢量，如圖2所示;采用18種電壓矢量控制定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡為18邊形，則6次諧波的含量被大幅抑制，18次諧波占據(jù)主導(dǎo)。由于諧波次數(shù)越高，其幅值越小，因此采用18種電壓矢量的控制方式，其諧波功率要低于采用6種基本電壓矢量的控制方式。采用SVPWM調(diào)制方式（五分頻），則可采用30種電壓矢量控制定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡為30邊形，更好地抑制諧波。

1.2 增加調(diào)制深度

為了進(jìn)一步抑制諧波功率，可增加調(diào)制深度，即降低逆變器輸入側(cè)的直流電壓（由3500V降低至3300V）。采用SVPWM調(diào)制方式，SVPWM與SPWM（正弦脈寬調(diào)制）可以相互轉(zhuǎn)化，但是SVPWM在調(diào)制深度上更有優(yōu)勢(shì)。這里借助SPWM調(diào)制方法更容易說明這一控制過程。

圖3為逆變器控制信號(hào)的SPWM調(diào)制過程，Ud為牽引逆變器輸入側(cè)直流電壓。當(dāng)Ud=3500V時(shí)，采用圖3中綠色正弦波作為調(diào)制波，調(diào)制出的逆變器控制信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)逆變器某一項(xiàng)橋臂，可得到脈沖輸出信號(hào)（圖3中綠色脈沖曲線）。如果降低Ud，使得Ud=3300V，為了得到相同驅(qū)動(dòng)效果，應(yīng)提高調(diào)制波的幅值，即采用圖3中紅色正弦波作為調(diào)制波，調(diào)制出的逆變器控制信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)逆變器某一項(xiàng)橋臂，可得到脈沖輸出信號(hào)（圖3中紅色脈沖曲線）。

對(duì)比兩種工況可知，當(dāng)Ud=3300V時(shí)，SPWM調(diào)制深度高于Ud=3500V時(shí)的調(diào)制深度。通過提高調(diào)制深度可以起到抑制諧波的作用。

2 抑制諧波功率試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比

2.1 三分頻與五分頻試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比

（1）試驗(yàn)時(shí)采用三分頻控制電機(jī)，試驗(yàn)過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1和圖4、表2和圖5。

（2）試驗(yàn)時(shí)采用五分頻控制電機(jī)，試驗(yàn)過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3和圖6、表4和圖7。

對(duì)比表1和表3的數(shù)據(jù)，電機(jī)電流的THD下降1.55%、諧波功率降低1.2kW;對(duì)比表2和表4的數(shù)據(jù)，電機(jī)電流的THD下降4.10%，諧波功率降低2.0kW。

2.2 增加調(diào)制深度試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比

試驗(yàn)時(shí)采用五分頻控制電機(jī)，試驗(yàn)過程中調(diào)整Ud（3300V、3400V、3500V）。其中，Ud=3400V的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5和圖8。

對(duì)比表1～表5的數(shù)據(jù)，隨著Ud降低，即調(diào)制深度的增加，能明顯抑制諧波功率。五分頻控制電機(jī)，Ud=3300V時(shí)的電機(jī)電流的THD比Ud=3500V時(shí)的電機(jī)電流的THD下降2.08%，諧波功率降低11.0kW。三分頻控制電機(jī)，Ud=3300V時(shí)的電機(jī)電流的THD比Ud=3500V時(shí)的電機(jī)電流的THD下降4.63%，諧波功率降低11.8kW。五分頻控制電機(jī)、Ud=3300V時(shí)的電機(jī)電流的THD比三分頻控制電機(jī)時(shí)、Ud=3500V電機(jī)電流的THD下降6.18%、諧波功率降低13.0kW。

3 結(jié)束語

為了抑制永磁電機(jī)的諧波功率，降低諧波和永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)的損耗，減小電機(jī)發(fā)熱，提高電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，本文提出增大調(diào)制比和調(diào)制深度的方法可以抑制諧波功率。試驗(yàn)結(jié)果表明，同時(shí)增大調(diào)制比和調(diào)制深度可以非常有效地抑制諧波功率，電機(jī)的諧波損耗減低13.0kW。

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作者簡(jiǎn)介

文秧林（1974—），男，湖南株洲人，本科，工程師，主要從事軌道車輛電氣系統(tǒng)測(cè)試。