利用电流谐波抑制表贴式永磁同步电机转矩波动的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及表贴式永磁同步电机转矩波动抑制技术领域，尤其涉及一种利用电流 谐波抑制表贴式永磁同步电机转矩波动的方法。
【背景技术】
[0002] 表贴式永磁同步电机具有较高的效率、功率因数和转矩密度，因而被广泛应用到 电梯、风电、混合动力汽车等众多工业领域中。对于表贴式永磁同步电机来说，理论上如果 电机的反电动势和电流均是理想的正弦波，则电机可产生恒定的电磁转矩。然而实际上，一 方面由于电机本身所采用绕组的分布形式、齿槽效应、磁极布置等因素，使得电机气隙磁场 发生畸变，产生磁链谐波，并进一步导致电机反电动势产生谐波；另一方面，由于变频器所 采用的电力电子器件的非线性特性，如开关管的管压降、死区时间等，导致电机产生电流谐 波。反电动势谐波与电流谐波相互作用，导致永磁同步电机产生转矩波动，严重影响电机系 统的控制精度和运行平稳性，因而成为电机设计和控制重点解决问题之一。
[0003] 为了解决永磁同步电机转矩波动的问题，学者们进行了大量研究。1)针对电机本 体结构进行优化设计，尽可能地改善气隙磁场分布，减少电机本身产生的反电动势谐波，如 优化转子磁极结构、改变永磁体充磁方式、采用斜槽或斜极等方法。但该类方法不仅增加了 电机加工的难度和成本，而且由于加工误差的存在往往难以达到理想效果，无法完全消除 反电动势谐波。2)针对变流器非线性特性产生的电流谐波通过控制策略补偿或抑制，如无 死区开关控制、时间补偿、电流反馈型电压补偿等方法。而这类方法需要增加新的硬件，算 法较为复杂，且由于电流过零点检测不准，容易导致误补偿。
[0004] 近年来，人们渐渐意识到通过单纯对反电动势谐波和电流谐波进行抑制难以完全 消除永磁同步电机的转矩波动，且在抑制谐波的过程中往往需要牺牲系统的某些其他性 能，因此有专家提出从谐波利用的角度对电机系统的性能进行提升，为永磁同步发电机的 转矩波动抑制提供了一种新的思路。但永磁同步电机转矩波动的产生是反电动势和电流谐 波共同作用的结果，且反电动势和电流的谐波成分较为复杂，若要利用电流谐波来达到抑 制转矩波动的目的，就必须对两种谐波之间的作用机理进行深入分析。由于目前关于谐波 作用机理方面的研究较少，导致电流谐波利用技术受到了较大的限制。
【发明内容】
[0005] 本发明基于表贴式永磁同步电机三相绕组反电动势与电流谐波之间的作用机理， 提供了一种利用电流谐波抑制表贴式永磁同步电机电磁转矩波动的方法。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：
[0007] 利用电流谐波抑制表贴式永磁同步电机转矩波动的方法，包括以下步骤：
[0008] 1)对表贴式永磁同步电机反电动势波形进行傅里叶分解，获得反电动势谐波的分 布频谱和各次谐波的幅值大小；
[0009] 2)将非正弦电流表示成傅里叶级数形式，基于三相反电动势和电流傅里叶级数表 达式求解电磁转矩模型；
[0010] 3)根据电磁转矩谐波成分不同进行分类，求解各类电磁转矩波动最小时电流谐波 满足的条件；
[0011] 4)根据反电动势谐波特点判断电磁转矩波动的主要来源，确定电流谐波次数、幅 值和相位；
[0012] 5)将含有所述步骤4)确定的含有谐波的三相绕组电流通入表贴式永磁同步电机 三相绕组中，抑制电机电磁转矩波动。
[0013] 前述的步骤1)中，对表贴式永磁同步电机反电动势波形进行傅里叶分解，得到：
[0014]
tl>
[0015] 其中，4、4、烏分别为表贴式永磁同步电机定子三相绕组对应的反电动势；Ei 为反电动势基波幅值；《为电机电角速度；t为时间；v为反电动势谐波次数，且v辛1 ;EV 为v次反电动势谐波分量对应的幅值；a￥为v次反电动势谐波分量的初始相位角；为v 次谐波反电动势向量旋转方向的系数，其值为1或-1，kOT= 1代表v次谐波反电动势向量 旋转方向与基波旋转方向相同，kOT= -1代表v次谐波反电动势向量旋转方向与基波旋转 方向相反。
[0016] 前述的步骤2)中，将非正弦电流表示成傅里叶级数形式如下：
[0017]
(2)
[0018] 其中，iA、4、4分别为三相绕组中的电流；Ii为电流基波幅值；It i为电机内功 率因数角；u为电流谐波次数，且u辛1 ;1。为u次电流谐波分量对应的幅值；0。为u次电 流谐波分量的初始相位角；kiu表示u次谐波电流相量旋转方向的系数，其值为1或-1，kiu =1代表u次谐波电流相量旋转方向与基波旋转方向相同，kiu= -1代表u次谐波电流相 量旋转方向与基波旋转方向相反。
[0019] 前述的步骤2)中，电磁转矩模型为：
[0020]
[0021] 其中，TM为电磁转矩，《 1^为电机旋转机械角速度，《 2Jrf/p;f为绕组电压和 电流频率;p为极对数。
[0022] 前述的步骤3)中，根据电磁转矩谐波成分不同进行分类，如下：
[0023] 将永磁同步电机非正弦的三相反电动势和电流代入电磁转矩表达式式（3)中，可 得：
[0030]即将电磁转矩分为TpTyl，T4四类，Ti是由电机基波反电动势和基波电流作用产 生的恒定的电磁转矩；T2是由谐波反电动势和基波电流作用产生的电磁转矩分量；T3是基 波反电动势与谐波电流作用产生的电磁转矩分量；1\是由谐波反电动势和谐波电流产生转 矩分量。
[0031] 前述的求解各类电磁转矩波动最小时电流谐波满足的条件，如下：
[0032] 由于1~2和T3特征相似，且单独不可能为0,因此将T2+T3作为一组，T4单独作为一 组单独进行分析：
[0033] 1)若令T2+T3= 0,即
[0034]
.(:9.)
[0035] 可知，当任意v=u且kev= kiu时，若
[0036] 且0 u= ± JT-也fa v
[0037] 即当电流所含谐波分量的次数与反电动势谐波次数相同，电流谐波幅值比例与反 电动势谐波幅值比例一致，且任意次电流谐波初始相位角满足0 u= ±n_也i+av时，^与 T3两项产生的转矩波动可完全消除；
[0038] 2)若令T4= 0 且kevv辛kiuii，即
[0039]
(10)
[0040] 当kOTv=kluu时，T4中的各分量均不为0,无法自行消除，因此仅能通过对应谐波 产生的转矩分量进行相互抵消，即令任意两次反电动势谐波Vl、^分量和相应两次电流谐 波七、％分量引起的转矩波动之和为0,如下：
[0041]
[0042]当任意Ui= v^v2= u2且kevl=kiul、kev2= kiu2时，若满足条件
[0043]
[0044]即当任意两次电流所含谐波分量的次数与相应两次反电动势谐波次数相同，该两 次电流谐波幅值比例与反电动势谐波幅值比例一致，且该两次电流谐波初始相位角满足上 述关系时，1\产生的转矩波动可被完全消除，此时电磁转矩的平均值将保持不变。
[0045] 前述的步骤4)根据反电动势谐波特点判断电磁转矩波动的主要来源，确定电流 谐波次数、幅值和相位，具体如下：
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