电机谐波分析.docx

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1、电机谐波分析目录1.电机噪声1?谐波危害1?谐波来源2?逆变器非线性引起的谐波2?电机本体设计偏差引起的谐波5?仿真分析5?谐波优化谐波注入7参考81.电机噪声一开始我觉得，电机噪声不就是因为电机运转起来之后，转子不停的旋转引起的震动，因而产生的噪声。后来证明我还是太嫩了，这只是从结果的角度去分析，而且只分析了人们肉眼可以看到的东西。而且现在针对电机噪声的研究，大致可以分类两类：1）针对电机自身的结构改来改去，比如极对数，沟槽数等2）针对电机的控制策略角度去分析电机的控制策略，无外乎是控制算法和驱动硬件支持两个。这里只从控制算法角度去说，硬件角度留到以后有机会再说。谐波危害由于PMSM齿槽效应

2、、磁路饱和效应以及绕组的分布形式等因素引起的气隙磁场畸变导致PMSM反电势波形发生畸变，失去原有的正弦性，这种畸变会使得电机的三相电流中含有大量的空间谐波。由于永磁同步电机变频驱动系统中存在很多电流谐波分量，从而使电机的转矩存在脉动，这在很大程度影响电机运行的稳定性。电机的转矩脉动也会带来振动和噪声，如果程度更严重的情况可能会使PMSM变频系统发生共振，使电机磁钢偏移、电机转轴遭到损坏等。与此同时，电机铁心和绕组在谐波电流的作用下将有附加损耗产生，这些损耗将作为热源作用于电机本身使其温度升高，继而影响电机内部材料及电磁性能参数，使得其效率降低，从而降低其控制性能；若温度进一步增加至其材料与电机

3、温升限值则将损毁电机，电机的性能将在谐波电流的作用下大幅降低，进而影响PMSM变频调速系统的平稳性Co?.谐波来源产生电流谐波的主要有两种?一种是逆变电路的死区效应或管压降等非线性因素引入的时间谐波；?另一种是电机本体设计的原因导致的气隙磁场畸变引入的是空间谐波。?.1.逆变器非线性引起的谐波通用的由PWM电压型逆变器控制的永磁同步电机系统如下图所示，开关器件选择绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)逆变器的A相桥臂在一个开关周期的简图如下所示，电机相绕组等效为一个阻感电路和电压源串联A相桥臂简图如图所示，在逆变器工作开通开关器件V1的时候，必须关断V4。如果开通的速度比关断的快，将会发生桥臂直通短

4、路。所以为了保证逆变器安全工作,需要在PWM中加入死区：尽管这个死区时间很短，但还是会使输出电压波形发生畸变。在死区时间Tdead内，V1和V4都是关断的，加在电机A相绕组的电压取决于相电流ia的方向。假设流入电机的电流为正电流，则相电流为负的时候流过续流二极管D1,为正的时候流过续流二极管D4,这个时候可以等效为上桥臂或者下桥臂的开关管是导通的。这种现象会在逆变器中产生输出误差电压Uerr,即为实际输出电压与理想输出值的偏差。我们先忽略开关器件的管压降，对死区时间导致的电压偏差进行讨论：iaO死区时间为Tdeae1,设开关管的开通时间为Ton,关断时间为TOff,A相桥臂中一个开关管在一个开

5、关周期内总的开关时间误差为Td,Td=Tdead+Ton-Toffo在A相桥臂中的理想PWM信号、实际信号和他们的输出电压波形如下图所示。图中S1*、S2*分别为VI、V4的理想PWM开关信号，S1、S2分别为VI、V4的实际PWM开关信号，ua*和Ua为桥臂的理想、实际输出电压。由于加入了死区时间，逆变器的理想输出电压ua*和实际电压ua之间存在误差电压uerr,且Uerr=ua-ua*o从图中可以看出，误差电压是一个幅值为负的脉冲电压，大小等于直流母线电压-Udc,周期为PWM的开关周期。ia0时的A相桥臂信号波形0H1fj/.V。IIfJAr情时叨修教出相电流方向对电压误差的影响*.0逆

6、变器非线性产生的误差电压波形由傅里叶分解误差电压波形可得：uerr=4u(coswt+13cos3t+15cos5t+17cos7t+.)逆变器的非线性特性会使逆变器的桥臂输出电压产生畸变，存在三次、五次、七次等奇次谐波，由于电机三相绕组星型连接，且谐波次数越高幅值越小,所以主要的谐波为三次和五次谐波。?.2.电机本体设计偏差引起的谐波因为电机本体结构设计不能达到理想状态，存在齿槽效应、绕组分布非正弦形式、转子永磁体结构缺陷等，转子永磁体磁链在气隙圆周内的分布是非正弦的，引起电机的反电势波形畸变。由于电机三相绕组星型连接对称分布，则反电势波形半波对称，即绕组的反电势波形不含偶次谐波和次数为3的

7、整数倍的奇次谐波，所以主要包含5次和7次等高次谐波。当电机的绕组电流较大时,会导致电机的磁路饱和，使磁场畸变变得更严重，进一步增加电机的转矩脉动。由交流电机旋转磁场理论,三相永磁同步电机的基波磁链与转子做同步旋转，5次谐波磁链与基波旋转方向相反，旋转速度为-53；7次磁链的旋转方向与基波方向相同，速度为73；5次和7次谐波磁链产生的反电势谐波都会导致永磁同步电机电磁转矩产生6次脉动。?.仿真分析图2永磁同步电机仿真模型图3谐波抑制系统框图表1反电势各次谐波的幅值和相位谐波次数族波五次七次十一次幡值(V)14925.279.6355.044相位C)O-1800-180表2电机参数电机参数数值定相

8、绕组电阻Rg)0.4578交轴电盛。(mH)8.3直轴电感&(mH)8.3电机转子磁链f(Wb)0.171转动惯量J(kg.m)0.08电机转子极对数P(对)4电机额定转速*(rpm)1500图4谐波抑制系统仿真模型O1.61.71.81.954321(EN)最比圈好k/(WN%徵用时间(S)01.971.981.99时间(S)b）转矩谐波抑制前的转矩波形局部放大a）转矩谐波抑制前的电磁转矩波形1.61.71.81.92时间O转矩谐波抑制后的电磁转矩波形电角卜/01.971.981.99时间d）转矩谐波抑制后的转矩波形局部放大表3逆变器参数参数数值“4(V)300调制我波频率人”（kHz）IO

9、调制载波周期7.（s）IOO延迟时间b（s）5IGBT开通时间，“（s）IIGBT关断时间rjr(s)4IGBT正向压降“,（V）3续流.极管压降肛（V）2?.谐波优化谐波注入在一个PWM控制周期内，完成相电流的采样和五次、七次谐波电流的计算,根据的转子位置和电机的空载反电势，计算出电机的永磁体磁链大小。由永磁体磁链和电磁转矩指令，根据转矩公式，得到谐波电流指令。根据反馈的电流和参考电流指令进行PI控制器调节和PIR控制器调节算法，将电流调节器的输出结果作为电压参考，经过PARK反变换，生成SVPWM信号。a)比例谐振控制器法控制策略b)旋转轴系P1调节器法控制策略田特定次谐波注入的永磁同步电机谐波抑制变频系统研究张荣津基于谐波电流注入法的永磁同步电机转矩脉动抑制策略张荣建网汤蕴琰，罗应立，梁艳萍,电机学M,北京：机械工业出版社图吴茂刚，赵荣祥.矢量控制永磁同步电动机的转矩脉动分析电工技术学报，2007,22(2)：9-14.