[摘" " 要]針對永磁電機諧波功率過大會導致電機損耗增加，發(fā)熱嚴重的問題，在電機控制策略上，采用增加調制比和調制深度的方法，降低永磁電機諧波功率。進行不同調制比和調制深度的試驗，試驗結果表明，增加調制比的同時增加調制深度，能夠顯著降低諧波功率，減少電機損耗，改善電機發(fā)熱嚴重的問題。

[關鍵詞]永磁電機;諧波功率;調制比;調制深度

[中圖分類號]TM341;TP27 [文獻標志碼]A

與有刷直流電機以及感應電機相比，永磁同步電機具有調速范圍寬、功率因數(shù)高、運行效率高以及可靠性高等特點，在高精度伺服控制、軌道交通領域得到廣泛應用。在永磁同步電機運行過程中，由于電機本體設計以及制造導致的氣隙磁場畸變、逆變器的非線性特性等原因，使得電機輸入功率中存在較多諧波功率，導致電機損耗增加，發(fā)熱嚴重。

對于降低永磁電機諧波功率，控制策略主要是采用增大調制比和調制深度。低調制比會影響定子電流的解耦，電流諧波含量增加，波形畸變嚴重，電機的諧波損耗增加。但是考慮到開關器件的開關損耗問題，最高開關頻率通常限制在幾百HZ，在增大調制比情況下進一步增加調制深度。

1 抑制諧波功率的方法

1.1 增加調制比

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

（1）

式中，np為永磁電機轉子極對數(shù);Lm、L'S、Lr分別為定轉子互感、定子瞬態(tài)電感、轉子自感;Ψs為定子磁鏈矢量幅值，Ψf為轉子磁鏈矢量幅值;δ為同步機的功率角，即Ψs與Ψf的夾角。由于轉子旋轉過程中具有較大慣性，因此在定子磁鏈矢量作用下，轉子磁鏈矢量的動態(tài)響應具有較大滯后。直接轉矩控制利用轉子這一特點，對定子磁鏈的幅值與轉速進行控制，進而控制Ψs與δ，使得轉矩Te達到給定值。對定子磁鏈的控制采用以下表達式：

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，便可實現(xiàn)對定子磁鏈幅值與轉速的同步控制。

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）調制方式，基于6種基本電壓矢量合成更多的電壓空間矢量?？臻g矢量越多，則定子磁鏈的運行軌跡越接近圓形，諧波抑制效果越好。利用SVPWM調制方式（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動軌跡為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。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調制方式（五分頻），則可采用30種電壓矢量控制定子磁鏈的運動軌跡為30邊形，更好地抑制諧波。

1.2 增加調制深度

為了進一步抑制諧波功率，可增加調制深度，即降低逆變器輸入側的直流電壓（由3500V降低至3300V）。采用SVPWM調制方式，SVPWM與SPWM（正弦脈寬調制）可以相互轉化，但是SVPWM在調制深度上更有優(yōu)勢。這里借助SPWM調制方法更容易說明這一控制過程。

圖3為逆變器控制信號的SPWM調制過程，Ud為牽引逆變器輸入側直流電壓。當Ud=3500V時，采用圖3中綠色正弦波作為調制波，調制出的逆變器控制信號用于驅動逆變器某一項橋臂，可得到脈沖輸出信號（圖3中綠色脈沖曲線）。如果降低Ud，使得Ud=3300V，為了得到相同驅動效果，應提高調制波的幅值，即采用圖3中紅色正弦波作為調制波，調制出的逆變器控制信號用于驅動逆變器某一項橋臂，可得到脈沖輸出信號（圖3中紅色脈沖曲線）。

對比兩種工況可知，當Ud=3300V時，SPWM調制深度高于Ud=3500V時的調制深度。通過提高調制深度可以起到抑制諧波的作用。

2 抑制諧波功率試驗結果分析對比

2.1 三分頻與五分頻試驗結果分析對比

（1）試驗時采用三分頻控制電機，試驗過程中的試驗數(shù)據(jù)見表1和圖4、表2和圖5。

（2）試驗時采用五分頻控制電機，試驗過程中的試驗數(shù)據(jù)見表3和圖6、表4和圖7。

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

2.2 增加調制深度試驗結果分析對比

試驗時采用五分頻控制電機，試驗過程中調整Ud（3300V、3400V、3500V）。其中，Ud=3400V的試驗數(shù)據(jù)見表5和圖8。

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

3 結束語

為了抑制永磁電機的諧波功率，降低諧波和永磁電機運行時的損耗，減小電機發(fā)熱，提高電機運行穩(wěn)定性和平穩(wěn)性，本文提出增大調制比和調制深度的方法可以抑制諧波功率。試驗結果表明，同時增大調制比和調制深度可以非常有效地抑制諧波功率，電機的諧波損耗減低13.0kW。

參考文獻

[1] 劉冬. 低調制比下感應電機無速度傳感器矢量控制[D]. 長沙：湖南大學，2016.

[2] 陳斌，王婷，呂征宇，等. 電壓型逆變器非線性的分析及補償[J]. 電工技術學報，2014，29（6）：24-30.

[3] Schwager L，Tuysuz A，Zwyssig C，et al. Modeling and comparison of machine and converter losses for PWM and PAM in high-speed drives[J]. IEEE Transactions on Industry Applications，2014，50（2）：995-1006.

[4] 羅正豪，柳霖，井立兵. 新型Halbach陣列永磁電機諧波分析與優(yōu)化[J]. 微特電機，2017，45（11）：19-22.

作者簡介

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)測試。