利用電流諧波抑制表貼式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩波動的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及表貼式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩波動抑制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用電流 諧波抑制表貼式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩波動的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 表貼式永磁同步電機具有較高的效率、功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩密度，因而被廣泛應(yīng)用到 電梯、風(fēng)電、混合動力汽車等眾多工業(yè)領(lǐng)域中。對于表貼式永磁同步電機來說，理論上如果 電機的反電動勢和電流均是理想的正弦波，則電機可產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。然而實際上，一 方面由于電機本身所采用繞組的分布形式、齒槽效應(yīng)、磁極布置等因素，使得電機氣隙磁場 發(fā)生畸變，產(chǎn)生磁鏈諧波，并進一步導(dǎo)致電機反電動勢產(chǎn)生諧波；另一方面，由于變頻器所 采用的電力電子器件的非線性特性，如開關(guān)管的管壓降、死區(qū)時間等，導(dǎo)致電機產(chǎn)生電流諧 波。反電動勢諧波與電流諧波相互作用，導(dǎo)致永磁同步電機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動，嚴(yán)重影響電機系 統(tǒng)的控制精度和運行平穩(wěn)性，因而成為電機設(shè)計和控制重點解決問題之一。
[0003] 為了解決永磁同步電機轉(zhuǎn)矩波動的問題，學(xué)者們進行了大量研究。1)針對電機本 體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，盡可能地改善氣隙磁場分布，減少電機本身產(chǎn)生的反電動勢諧波，如 優(yōu)化轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)、改變永磁體充磁方式、采用斜槽或斜極等方法。但該類方法不僅增加了 電機加工的難度和成本，而且由于加工誤差的存在往往難以達到理想效果，無法完全消除 反電動勢諧波。2)針對變流器非線性特性產(chǎn)生的電流諧波通過控制策略補償或抑制，如無 死區(qū)開關(guān)控制、時間補償、電流反饋型電壓補償?shù)确椒?。而這類方法需要增加新的硬件，算 法較為復(fù)雜，且由于電流過零點檢測不準(zhǔn)，容易導(dǎo)致誤補償。
[0004] 近年來，人們漸漸意識到通過單純對反電動勢諧波和電流諧波進行抑制難以完全 消除永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩波動，且在抑制諧波的過程中往往需要犧牲系統(tǒng)的某些其他性 能，因此有專家提出從諧波利用的角度對電機系統(tǒng)的性能進行提升，為永磁同步發(fā)電機的 轉(zhuǎn)矩波動抑制提供了一種新的思路。但永磁同步電機轉(zhuǎn)矩波動的產(chǎn)生是反電動勢和電流諧 波共同作用的結(jié)果，且反電動勢和電流的諧波成分較為復(fù)雜，若要利用電流諧波來達到抑 制轉(zhuǎn)矩波動的目的，就必須對兩種諧波之間的作用機理進行深入分析。由于目前關(guān)于諧波 作用機理方面的研究較少，導(dǎo)致電流諧波利用技術(shù)受到了較大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明基于表貼式永磁同步電機三相繞組反電動勢與電流諧波之間的作用機理， 提供了一種利用電流諧波抑制表貼式永磁同步電機電磁轉(zhuǎn)矩波動的方法。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0007] 利用電流諧波抑制表貼式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩波動的方法，包括以下步驟：
[0008] 1)對表貼式永磁同步電機反電動勢波形進行傅里葉分解，獲得反電動勢諧波的分 布頻譜和各次諧波的幅值大小；
[0009] 2)將非正弦電流表示成傅里葉級數(shù)形式，基于三相反電動勢和電流傅里葉級數(shù)表 達式求解電磁轉(zhuǎn)矩模型；
[0010] 3)根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩諧波成分不同進行分類，求解各類電磁轉(zhuǎn)矩波動最小時電流諧波 滿足的條件；
[0011] 4)根據(jù)反電動勢諧波特點判斷電磁轉(zhuǎn)矩波動的主要來源，確定電流諧波次數(shù)、幅 值和相位；
[0012] 5)將含有所述步驟4)確定的含有諧波的三相繞組電流通入表貼式永磁同步電機 三相繞組中，抑制電機電磁轉(zhuǎn)矩波動。
[0013] 前述的步驟1)中，對表貼式永磁同步電機反電動勢波形進行傅里葉分解，得到：
[0014]
tl>
[0015] 其中，4、4、烏分別為表貼式永磁同步電機定子三相繞組對應(yīng)的反電動勢；Ei 為反電動勢基波幅值；《為電機電角速度；t為時間；v為反電動勢諧波次數(shù)，且v辛1 ;EV 為v次反電動勢諧波分量對應(yīng)的幅值；a￥為v次反電動勢諧波分量的初始相位角；為v 次諧波反電動勢向量旋轉(zhuǎn)方向的系數(shù)，其值為1或-1，kOT= 1代表v次諧波反電動勢向量 旋轉(zhuǎn)方向與基波旋轉(zhuǎn)方向相同，kOT= -1代表v次諧波反電動勢向量旋轉(zhuǎn)方向與基波旋轉(zhuǎn) 方向相反。
[0016] 前述的步驟2)中，將非正弦電流表示成傅里葉級數(shù)形式如下：
[0017]
(2)
[0018] 其中，iA、4、4分別為三相繞組中的電流；Ii為電流基波幅值；It i為電機內(nèi)功 率因數(shù)角；u為電流諧波次數(shù)，且u辛1 ;1。為u次電流諧波分量對應(yīng)的幅值；0。為u次電 流諧波分量的初始相位角；kiu表示u次諧波電流相量旋轉(zhuǎn)方向的系數(shù)，其值為1或-1，kiu =1代表u次諧波電流相量旋轉(zhuǎn)方向與基波旋轉(zhuǎn)方向相同，kiu= -1代表u次諧波電流相 量旋轉(zhuǎn)方向與基波旋轉(zhuǎn)方向相反。
[0019] 前述的步驟2)中，電磁轉(zhuǎn)矩模型為：
[0020]
[0021] 其中，TM為電磁轉(zhuǎn)矩，《 1^為電機旋轉(zhuǎn)機械角速度，《 2Jrf/p;f為繞組電壓和 電流頻率;p為極對數(shù)。
[0022] 前述的步驟3)中，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩諧波成分不同進行分類，如下：
[0023] 將永磁同步電機非正弦的三相反電動勢和電流代入電磁轉(zhuǎn)矩表達式式（3)中，可 得：
[0030]即將電磁轉(zhuǎn)矩分為TpTyl，T4四類，Ti是由電機基波反電動勢和基波電流作用產(chǎn) 生的恒定的電磁轉(zhuǎn)矩；T2是由諧波反電動勢和基波電流作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩分量；T3是基 波反電動勢與諧波電流作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩分量；1\是由諧波反電動勢和諧波電流產(chǎn)生轉(zhuǎn) 矩分量。
[0031] 前述的求解各類電磁轉(zhuǎn)矩波動最小時電流諧波滿足的條件，如下：
[0032] 由于1~2和T3特征相似，且單獨不可能為0,因此將T2+T3作為一組，T4單獨作為一 組單獨進行分析：
[0033] 1)若令T2+T3= 0,即
[0034]
.(:9.)
[0035] 可知，當(dāng)任意v=u且kev= kiu時，若
[0036] 且0 u= ± JT-也fa v
[0037] 即當(dāng)電流所含諧波分量的次數(shù)與反電動勢諧波次數(shù)相同，電流諧波幅值比例與反 電動勢諧波幅值比例一致，且任意次電流諧波初始相位角滿足0 u= ±n_也i+av時，^與 T3兩項產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動可完全消除；
[0038] 2)若令T4= 0 且kevv辛kiuii，即
[0039]
(10)
[0040] 當(dāng)kOTv=kluu時，T4中的各分量均不為0,無法自行消除，因此僅能通過對應(yīng)諧波 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩分量進行相互抵消，即令任意兩次反電動勢諧波Vl、^分量和相應(yīng)兩次電流諧 波七、％分量引起的轉(zhuǎn)矩波動之和為0,如下：
[0041]
[0042]當(dāng)任意Ui= v^v2= u2且kevl=kiul、kev2= kiu2時，若滿足條件
[0043]
[0044]即當(dāng)任意兩次電流所含諧波分量的次數(shù)與相應(yīng)兩次反電動勢諧波次數(shù)相同，該兩 次電流諧波幅值比例與反電動勢諧波幅值比例一致，且該兩次電流諧波初始相位角滿足上 述關(guān)系時，1\產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動可被完全消除，此時電磁轉(zhuǎn)矩的平均值將保持不變。
[0045] 前述的步驟4)根據(jù)反電動勢諧波特點判斷電磁轉(zhuǎn)矩波動的主要來源，確定電流 諧波次數(shù)、幅值和相位，具體如下：
[00