SVPWM矢量控制不同频率对异步电机谐波影响分析

2021-07-19李纯清

船电技术 2021年6期

李纯清

李纯清

（湖南湘电动力有限公司，湖南湘潭 411101）

本文在SVPWM矢量控制策略下，只改变载波频率进行仿真，分析不同载波频率对谐波的影响。首先对SVPWM采样原理进行分析，建立载波频率与谐波关系的模型，然后对SVPWM矢量控制下的异步电机系统进行仿真，分析定子电流、转子转速和转矩波形，得出低谐波、响应速度快和转矩脉动小等特点，最后以A相定子电流为例，只改变载波频率分别取3 kHz、4 kHz和5 kHz进行FFT分析，对比三者的THD，可以得出载波频率越大，THD越小，谐波损耗越小。

SVPWM 载波频率谐波影响 FFT分析

0 引言

针对不同的电机性能要求应用各种不同的控制策略，现在大多数采用的控制策略是矢量控制和直接转矩控制。在矢量控制下的系统响应快速而且平稳，即使突加负载时转速发生速降，也能迅速恢复到平衡状态，且稳态运行时无静差。但在电机实际运行过程中，矢量控制的异步电机存在着高次谐波。而空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术的应用具有低谐波、脉动小和响应速度快等优点，因此也成为了研究的热点。

文献[1]在SVPWM调制技术下采用转子磁场直接定向电压解耦型矢量控制，具有良好的动静态性能。文献[2]设计异步电机SVPWM变频调速系统并且进行仿真，可以得出该调速系统动静态性能优良的结果。文献[3]搭建三电平逆变器SVPWM 异步电机矢量控制系统进行仿真，结果表明该系统具有良好的稳态性能和动态性能。文献[4]表明SVPWM调制下的永磁同步发电机在不同的载波频率下对谐波的影响不同。文献[5]表明异步电机在使用含谐波的变频器供电时，在谐波作用下，电机会产生附加损耗。

本文在SVPWM矢量控制下研究不同载波频率对电机谐波的影响，以此来分析规律，相关结论可以作为SVPWM矢量控制下异步电机载波频率参考的一个重要依据。

1 SVPWM采样原理及模型建立

异步电机逆变器主回路系统如图1所示。图中，u、b和c为逆变器相电压，1~6为功率开关器件IGBT，L为可变负载，Ud为直流母线电压。

图1 异步电机逆变器主回路

SVPWM波形的生成方法有很多，如面积等效法、自然采样法和规则采样法，但自然采样法在信号波为正弦波和载波为三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的通断来生成SVPWM波形，这种方法求解过程复杂，计算所花费的时间比较多[6]。而大多数采用规则采样法，其效果接近自然采样法，计算过程较为简单[7]。规则采样法是将三角载波周期的中点（三角波的负峰值）时刻对正弦的采样值作为该三角载波值，即用一段水平线代替一段正弦曲线将正弦波简化为梯形波。水平线段处于正弦曲线段的中部，因而与正弦的偏差最小[8]。载波比N越大，阶梯波越多，阶梯波越接近正弦波。

图2 SPVWM采样原理图

以A相为例，SVPWM的采样原理如图2所示，载波为频率ω和幅值1的三角波，调制波为正弦波，函数表达式如下：

式中，为调制比（调制波幅值与载波幅值之比），0 ≤，ω= 2π表示基波角频率。

根据图2可得输出A相电压

不计功率开关器件IGBT通断延时产生的死区时间，对一个周期c内的u进行傅里叶分解，可以建立载波频率与谐波关系的模型，得：

2 异步电机SVPWM仿真系统

SVPWM技术是按照跟踪圆形旋转磁场来控制PWM电压，相对传统的矢量控制技术具有许多优势，从根本上改变了转矩方程的非线性特性，获得良好的稳态和动态性能。

应用simulink对异步电机SVPWM矢量控制系统进行仿真，系统框图如图3所示，

图3 异步电机SVPWM矢量控制系统框图

在simulink中的电机设计参数如表1所示

表1 电机设计参数

仿真结果如图4~图6所示，

图4 定子电流仿真图

图5 转子转速仿真图

从图4~图6可以看出，基于SVPWM矢量控制的异步电机系统具有响应速度快、转矩脉动小和低谐波等特点，在图4中，定子电流输出稳定且响应快，谐波少，无明显失真，在图5中，转子转速响应速度快，能很快达到预设转子转速，在图6中，转矩脉动小，响应速度快。

图6 转矩仿真图

3 载波频率对谐波的影响分析

通过前面部分的理论分析得出载波频率影响谐波幅值，维持调制比不变，只改变载波频率，三角形载波频率在分别取3 kHz，4 kHz，5 kHz的情况下进行simulink仿真，并且对定子电流进行FFT分析，对比三种情况下的THD，得出三角载波频率对谐波的影响。

对比图7（a）~（c）可以得出三角载波频率对谐波的影响，可以将不同频率下的THD用条形图直观呈现出来。

图7 不同频率下的THD对比

从图7可以看出，载波频率越大，THD越小，谐波损耗越小，这个结论对载波频率的选择具有一定的参考价值。

4 结论

本文首先理论分析了载波频率与谐波的关系，之后对SVPWM矢量控制下的异步电机系统进行仿真，可以发现在SVPWM矢量控制下，定子电流、转子转速和转矩波形稳定，具有响应速度快、谐波低和转矩脉动小等特点。最后，本文对定子电流在3 kHz、4 kHz和5 kHz的不同载波电流下进行FFT分析，对比三种载波频率下的THD，可以得出载波频率越大，THD越小，谐波越小，谐波损失也越小。

[2] 李瑾. 基于SVPWM的异步电机变频调速系统[J]. 冶金设备, 2016(04):14-16+41.

[3] 刘铁湘, 邹龙生. 三电平逆变器SVPWM异步电机矢量控制系统研究[J]. 变频器世界, 2017（12）: 62-64.

[4] 张越雷, 高剑, 黄守道, 彭婧, 荣飞. SVPWM调制策略下永磁同步发电机损耗分析[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2016, 43(10): 87-93.

[5] 胡承辉, 彭大华, 张宙. 异步电机在变频器谐波作用下的附加损耗分析[J]. 上海大中型电机, 2016(02): 1-4.

[6] 陆原, 赵江峰, 刘泰廷. SVPWM调制的直接矢量控制算法研究[J]. 电测与仪表, 2018, 55(08): 87-91.

[7] 李忠祥, 刘国巍, 陈瑞. 基于PMSM空间电压矢量控制技术仿真研究[J]. 中国科技信息，2018（Z1）:75-76.

[8] 黄知超, 江德业, 赵文明. SVPWM原理及逆变器仿真研究[J]. 煤炭技术, 2017, 36(11):283-285.

Analysis of Influence of SVPWM Frequency on Current Harmonic of AsynchronousMotors

Li Chunqing

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

TM343

1003-4862（2021）06-0035-04