[发明专利]利用电流谐波抑制表贴式永磁同步电机转矩波动的方法

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

本发明采用的技术方案如下：

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：

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；

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；

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；

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；

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。

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：

其中，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；E₁为反电动势基波幅值；ω为电机电角速度；t为时间；v为反电动势谐波次数，且v≠1；E_v为v次反电动势谐波分量对应的幅值；α_v为v次反电动势谐波分量的初始相位角；k_ev为v次谐波反电动势向量旋转方向的系数，其值为1 或-1，k_ev＝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，k_ev＝-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。

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：

其中，分别为三相绕组中的电流；I₁为电流基波幅值；ψ₁为电机内功率因数角；u为电流谐波次数，且u≠1；I_u为u次电流谐波分量对应的幅值；β_u为u次电流谐波分量的初始相位角；k_iu表示 u次谐波电流相量旋转方向的系数，其值为1或-1，k_iu＝1代表u次谐波电流相量旋转方向与基波旋转方向相同，k_iu＝-1代表u次谐波电流相量旋转方向与基波旋转方向相反。