SVPWM矢量控制不同頻率對異步電機諧波影響分析

李純清

SVPWM矢量控制不同頻率對異步電機諧波影響分析

李純清

（湖南湘電動力有限公司，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采樣原理進行分析，建立載波頻率與諧波關系的模型，然后對SVPWM矢量控制下的異步電機系統進行仿真，分析定子電流、轉子轉速和轉矩波形，得出低諧波、響應速度快和轉矩脈動小等特點，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

針對不同的電機性能要求應用各種不同的控制策略，現在大多數采用的控制策略是矢量控制和直接轉矩控制。在矢量控制下的系統響應快速而且平穩，即使突加負載時轉速發生速降，也能迅速恢復到平衡狀態，且穩態運行時無靜差。但在電機實際運行過程中，矢量控制的異步電機存在著高次諧波。而空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術的應用具有低諧波、脈動小和響應速度快等優點，因此也成為了研究的熱點。

文獻[1]在SVPWM調制技術下采用轉子磁場直接定向電壓解耦型矢量控制，具有良好的動靜態性能。文獻[2]設計異步電機SVPWM變頻調速系統并且進行仿真，可以得出該調速系統動靜態性能優良的結果。文獻[3]搭建三電平逆變器SVPWM 異步電機矢量控制系統進行仿真，結果表明該系統具有良好的穩態性能和動態性能。文獻[4]表明SVPWM調制下的永磁同步發電機在不同的載波頻率下對諧波的影響不同。文獻[5]表明異步電機在使用含諧波的變頻器供電時，在諧波作用下，電機會產生附加損耗。

本文在SVPWM矢量控制下研究不同載波頻率對電機諧波的影響，以此來分析規律，相關結論可以作為SVPWM矢量控制下異步電機載波頻率參考的一個重要依據。

1 SVPWM采樣原理及模型建立

異步電機逆變器主回路系統如圖1所示。圖中，u、b和c為逆變器相電壓，1~6為功率開關器件IGBT，L為可變負載，Ud為直流母線電壓。

圖1 異步電機逆變器主回路

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時刻控制功率開關器件的通斷來生成SVPWM波形，這種方法求解過程復雜，計算所花費的時間比較多[6]。而大多數采用規則采樣法，其效果接近自然采樣法，計算過程較為簡單[7]。規則采樣法是將三角載波周期的中點（三角波的負峰值）時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，調制波為正弦波，函數表達式如下：

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

根據圖2可得輸出A相電壓

不計功率開關器件IGBT通斷延時產生的死區時間，對一個周期c內的u進行傅里葉分解，可以建立載波頻率與諧波關系的模型，得：

2 異步電機SVPWM仿真系統

SVPWM技術是按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制PWM電壓，相對傳統的矢量控制技術具有許多優勢，從根本上改變了轉矩方程的非線性特性，獲得良好的穩態和動態性能。

應用simulink對異步電機SVPWM矢量控制系統進行仿真，系統框圖如圖3所示，

圖3 異步電機SVPWM矢量控制系統框圖

在simulink中的電機設計參數如表1所示

表1 電機設計參數

仿真結果如圖4~圖6所示，

圖4 定子電流仿真圖

圖5 轉子轉速仿真圖

從圖4~圖6可以看出，基于SVPWM矢量控制的異步電機系統具有響應速度快、轉矩脈動小和低諧波等特點，在圖4中，定子電流輸出穩定且響應快，諧波少，無明顯失真，在圖5中，轉子轉速響應速度快，能很快達到預設轉子轉速，在圖6中，轉矩脈動小，響應速度快。

圖6 轉矩仿真圖

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的情況下進行simulink仿真，并且對定子電流進行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，這個結論對載波頻率的選擇具有一定的參考價值。

4 結論

本文首先理論分析了載波頻率與諧波的關系，之后對SVPWM矢量控制下的異步電機系統進行仿真，可以發現在SVPWM矢量控制下，定子電流、轉子轉速和轉矩波形穩定，具有響應速度快、諧波低和轉矩脈動小等特點。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的異步電機變頻調速系統[J]. 冶金設備, 2016(04):14-16+41.

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

[4] 張越雷, 高劍, 黃守道, 彭婧, 榮飛. SVPWM調制策略下永磁同步發電機損耗分析[J]. 湖南大學學報(自然科學版), 2016, 43(10): 87-93.

[5] 胡承輝, 彭大華, 張宙. 異步電機在變頻器諧波作用下的附加損耗分析[J]. 上海大中型電機, 2016(02): 1-4.

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

[7] 李忠祥, 劉國巍, 陳瑞. 基于PMSM空間電壓矢量控制技術仿真研究[J]. 中國科技信息，2018（Z1）:75-76.

[8] 黃知超, 江德業, 趙文明. SVPWM原理及逆變器仿真研究[J]. 煤炭技術, 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

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：永磁同步電機的設計與分析。E-mail: dzlcq@163.com