SVPWM矢量控制不同頻率對異步電機(jī)諧波影響分析

李純清

SVPWM矢量控制不同頻率對異步電機(jī)諧波影響分析

李純清

（湖南湘電動(dòng)力有限公司，湖南湘潭 411101）

本文在SVPWM矢量控制策略下，只改變載波頻率進(jìn)行仿真，分析不同載波頻率對諧波的影響。首先對SVPWM采樣原理進(jìn)行分析，建立載波頻率與諧波關(guān)系的模型，然后對SVPWM矢量控制下的異步電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析定子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形，得出低諧波、響應(yīng)速度快和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等特點(diǎn)，最后以A相定子電流為例，只改變載波頻率分別取3 kHz、4 kHz和5 kHz進(jìn)行FFT分析，對比三者的THD，可以得出載波頻率越大，THD越小，諧波損耗越小。

SVPWM 載波頻率 諧波影響 FFT分析

0 引言

針對不同的電機(jī)性能要求應(yīng)用各種不同的控制策略，現(xiàn)在大多數(shù)采用的控制策略是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。在矢量控制下的系統(tǒng)響應(yīng)快速而且平穩(wěn)，即使突加負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速發(fā)生速降，也能迅速恢復(fù)到平衡狀態(tài)，且穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)無靜差。但在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，矢量控制的異步電機(jī)存在著高次諧波。而空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)的應(yīng)用具有低諧波、脈動(dòng)小和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，因此也成為了研究的熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]在SVPWM調(diào)制技術(shù)下采用轉(zhuǎn)子磁場直接定向電壓解耦型矢量控制，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)異步電機(jī)SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)并且進(jìn)行仿真，可以得出該調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)良的結(jié)果。文獻(xiàn)[3]搭建三電平逆變器SVPWM 異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[4]表明SVPWM調(diào)制下的永磁同步發(fā)電機(jī)在不同的載波頻率下對諧波的影響不同。文獻(xiàn)[5]表明異步電機(jī)在使用含諧波的變頻器供電時(shí)，在諧波作用下，電機(jī)會產(chǎn)生附加損耗。

本文在SVPWM矢量控制下研究不同載波頻率對電機(jī)諧波的影響，以此來分析規(guī)律，相關(guān)結(jié)論可以作為SVPWM矢量控制下異步電機(jī)載波頻率參考的一個(gè)重要依據(jù)。

1 SVPWM采樣原理及模型建立

異步電機(jī)逆變器主回路系統(tǒng)如圖1所示。圖中，u、b和c為逆變器相電壓，1~6為功率開關(guān)器件IGBT，L為可變負(fù)載，Ud為直流母線電壓。

圖1 異步電機(jī)逆變器主回路

SVPWM波形的生成方法有很多，如面積等效法、自然采樣法和規(guī)則采樣法，但自然采樣法在信號波為正弦波和載波為三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷來生成SVPWM波形，這種方法求解過程復(fù)雜，計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間比較多[6]。而大多數(shù)采用規(guī)則采樣法，其效果接近自然采樣法，計(jì)算過程較為簡單[7]。規(guī)則采樣法是將三角載波周期的中點(diǎn)（三角波的負(fù)峰值）時(shí)刻對正弦的采樣值作為該三角載波值，即用一段水平線代替一段正弦曲線將正弦波簡化為梯形波。水平線段處于正弦曲線段的中部，因而與正弦的偏差最小[8]。載波比N越大，階梯波越多，階梯波越接近正弦波。

圖2 SPVWM采樣原理圖

以A相為例，SVPWM的采樣原理如圖2所示，載波為頻率ω和幅值1的三角波，調(diào)制波為正弦波，函數(shù)表達(dá)式如下：

式中，為調(diào)制比（調(diào)制波幅值與載波幅值之比），0 ≤，ω= 2π表示基波角頻率。

根據(jù)圖2可得輸出A相電壓

不計(jì)功率開關(guān)器件IGBT通斷延時(shí)產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間，對一個(gè)周期c內(nèi)的u進(jìn)行傅里葉分解，可以建立載波頻率與諧波關(guān)系的模型，得：

2 異步電機(jī)SVPWM仿真系統(tǒng)

SVPWM技術(shù)是按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制PWM電壓，相對傳統(tǒng)的矢量控制技術(shù)具有許多優(yōu)勢，從根本上改變了轉(zhuǎn)矩方程的非線性特性，獲得良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

應(yīng)用simulink對異步電機(jī)SVPWM矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，系統(tǒng)框圖如圖3所示，

圖3 異步電機(jī)SVPWM矢量控制系統(tǒng)框圖

在simulink中的電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示

表1 電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

仿真結(jié)果如圖4~圖6所示，

圖4 定子電流仿真圖

圖5 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速仿真圖

從圖4~圖6可以看出，基于SVPWM矢量控制的異步電機(jī)系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小和低諧波等特點(diǎn)，在圖4中，定子電流輸出穩(wěn)定且響應(yīng)快，諧波少，無明顯失真，在圖5中，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快，能很快達(dá)到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，在圖6中，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，響應(yīng)速度快。

圖6 轉(zhuǎn)矩仿真圖

3 載波頻率對諧波的影響分析

通過前面部分的理論分析得出載波頻率影響諧波幅值，維持調(diào)制比不變，只改變載波頻率，三角形載波頻率在分別取3 kHz，4 kHz，5 kHz的情況下進(jìn)行simulink仿真，并且對定子電流進(jìn)行FFT分析，對比三種情況下的THD，得出三角載波頻率對諧波的影響。

對比圖7（a）~（c）可以得出三角載波頻率對諧波的影響，可以將不同頻率下的THD用條形圖直觀呈現(xiàn)出來。

圖7 不同頻率下的THD對比

從圖7可以看出，載波頻率越大，THD越小，諧波損耗越小，這個(gè)結(jié)論對載波頻率的選擇具有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

本文首先理論分析了載波頻率與諧波的關(guān)系，之后對SVPWM矢量控制下的異步電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以發(fā)現(xiàn)在SVPWM矢量控制下，定子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形穩(wěn)定，具有響應(yīng)速度快、諧波低和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小等特點(diǎn)。最后，本文對定子電流在3 kHz、4 kHz和5 kHz的不同載波電流下進(jìn)行FFT分析，對比三種載波頻率下的THD，可以得出載波頻率越大，THD越小，諧波越小，諧波損失也越小。

[2] 李瑾. 基于SVPWM的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)[J]. 冶金設(shè)備, 2016(04):14-16+41.

[3] 劉鐵湘, 鄒龍生. 三電平逆變器SVPWM異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究[J]. 變頻器世界, 2017（12）: 62-64.

[4] 張?jiān)嚼? 高劍, 黃守道, 彭婧, 榮飛. SVPWM調(diào)制策略下永磁同步發(fā)電機(jī)損耗分析[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 43(10): 87-93.

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[6] 陸原, 趙江峰, 劉泰廷. SVPWM調(diào)制的直接矢量控制算法研究[J]. 電測與儀表, 2018, 55(08): 87-91.

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Analysis of Influence of SVPWM Frequency on Current Harmonic of AsynchronousMotors

Li Chunqing

（Hunan Xiangdian Power Co., Ltd., Xiangtan City 411101, Hunan, China）

TM343

A

1003-4862（2021）06-0035-04

:10. 7666/d. y1080690.

2021-05-10

李純清(1984-)，碩士，工程師。研究方向：永磁同步電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析。E-mail: dzlcq@163.com