1、電流諧波對電機轉矩的影響對于采用正弦控制的三相永磁同步電機來說,理論上電機輸入電流和電壓應該是理想的正弦波,但是在實際的工程應用中電機電流與電壓波形都是近似于正弦波,其中含有大量的高次諧波分量。實際上繞組采用星型連接的三相永磁同步電機對諧波有一定的抑制效果,三次以及三的倍數次諧波在電機繞組對稱的情況下由中性點是可以完全抵消掉,由此,可以避免三次及三的倍數次諧波對電機的影響,但是諸如五次、七次、十一次以及十三次等高次諧波在電機繞組中是確實存在的,這些電流中的高次諧波對電機性能會有一定的影響。引起電機電流諧波的原因很多,主要包括:永磁磁鏈的畸變、電機轉速變化、電機定子齒槽、電機控制方式以及由電機控

2、制器輸出造成的電流畸變等。對于控制器來說,功率器件的開關頻率對電機諧波的產生有著極其重要的影響,比如對于一款極對數為6,最高轉速為9000rpm的電機來說,最高轉速下電機頻率為150Hz,電流頻率為900Hz,而控制器中IGBT 的開關頻率最高為10K,MOSFET的開關頻率最高為100K。在電機轉速為9000rpm時一個電流周期內的IGBT開關次數為11次,其一個周期內開關次數為100次與11次的電流波形如圖1所示,從圖1可以看出,開關次數為11次的電流波形的諧波是十分明顯的。 圖1電流波形由控制器元器件開關頻率造成的諧波影響在電機不同轉速下是不一樣的,對比電機轉速從1000rpm到9000

3、rpm對應的一個電流周期內控制器開關次數如表1所示。表1轉速&開關次數從表1可以看出,隨著電機轉速的不斷上升,控制器在一個電流周期內的開關次數逐漸減少,而開關次數的減少必然引起電流諧波的增加,雖然在電路中有濾波電容的存在,但是濾波電容對高次諧波的抑制作用是十分有限的,這充分的說明了一點:電機轉速的上升必將導致輸入電流諧波分量的增加,而對極對數和轉速較高的電機來說這點是無法避免的。通過對電機的輸入電流的傅里葉分析發現,高次諧波與基本具有相同的電氣特性(包括相位和幅值,只是在頻率上為基波的整數倍。與電流基波不同的是,電流中的高次諧波不會對電機出力做出貢獻,但是實際電流中的高次諧波會使電機轉

4、矩波動問題更加突出,而且諧波對電機損耗(尤其是鐵耗有著極為重要的影響。 圖2五次諧波轉矩圖2所示為一款12極18槽電機在轉速為1000rpm時由五次諧波驅動(忽略電流基波的存在的轉矩,從圖中可以看出,電機轉矩呈現周期變化,而且轉矩平均值為0,由此可以斷定諧波電流對電機轉矩是沒有貢獻的。另外,五次諧波與電機轉速對應的電流頻率不等,造成電機無法輸出恒正或者恒負的負載轉矩,電機處于一種嚴重的失步狀態,這也從另一方面說明了諧波對電機的影響。以上分析是基于五次諧波的特例,但七次、十一次以及十三次等高次諧波的影響類似。由高次諧波引起的周期性轉矩頻率較高,這些高頻率的周期轉矩與基波轉矩相疊加以后提供給負載,

5、造成電機輸出的轉矩也具有較高的脈動,而且電機輸出轉矩的脈動隨著轉速不斷上升而加劇,原因是電機轉速越高,更多的高次諧波更加明顯。通過以上分析,充分的說明電流諧波對轉矩的影響主要是轉矩脈動而非轉矩大小,通過諧波分析的方法來研究轉矩偏差無異于緣木求魚,那么引起轉矩偏差的原因又會是什么呢?以下是可能的兩個原因,具體原因有待證明。1、由磁鋼材料引起的誤差,即實際電機中采用的磁鋼材料與FEA 軟件中材料參數不一致(材料本身或者是運輸存儲過程中的性能改變。2、由示波器采集的電流或者是電壓值包含諧波成分,而其中的諧波成分又讓示波器測試值高于基波實際值,而實際上諧波成分對電機轉矩輸出的大小沒有貢獻。由于無法定性

6、的分析磁鋼在運輸和存儲過程中的性能變化,而磁鋼材料的實際特性需要通過試驗的方法來驗證,但是目前不具備這樣的試驗條件,所以從磁鋼材料方面分析的話這將是一個無解的問題。但是,從影響磁鋼性能的原因來看主要包含一下方面:磁鋼內部結構變化、化學因素、溫度、外加磁場、機械作用等,此外包含磁鋼本身因素如磁鋼尺寸等。然而在磁鋼的運輸以及存儲過程中的內部結構變化、化學因素影響、溫度變化、外加磁場影響和機械震動等因素是無法避免的,但是這些因素對磁鋼的影響到什么程度卻難以度量,但總的來說,分析電機性能時磁鋼性能變化是一個必須考慮的因素。另一方面,從電流數據的采集進行分析。示波器采集的電流有效值為實際電流,其中包含電

7、流基波與各種高次諧波,其電流有效值的計算方法如下:2sin max2max 2I tdt t I I t =(1式中I 為電流有效值;max I 正弦波幅值。則示波器測試到的電流有效值為:=i i allI I 1max 21(2式中i =1,5,7,11,13由于電流中的高次諧波對電機轉矩沒有貢獻,則進行有限元分析轉矩時不需要考慮諧波影響,但是通過示波器采集的電流有效值卻是含有諧波成分的,也就是說諧波電流會讓電流有效值增加,而且在電機高速運行時影響更大,但是其中的一部分有效值對電機轉矩實際上是沒有貢獻的,換句話說,示波器采集的電流有效值并非全部都會產生電機轉矩,而其中一部分有效值是沒有作用的,這樣就會使得采用示波器所示電流進行FEA做對比分析時出現電機轉矩偏高的情況。下面具體分析電流諧波對有效值的影響,在電流基波幅值為100A和200A時分別添加五次諧波電流分量,諧波電流分量幅值從0變化到50A,其電流實際有效值的分布情況如表2所示。表2不同諧波含量的電流有效值諧波(A010*基波(A雖然諧波對電流有效值的影響巨大,但是對于轉矩卻并沒有什么影響,表3所示為一款12極18槽電機在基波電流幅值為100A和200A,諧波電流幅值從0增加到50A時的轉矩變化情況。表3諧波電流&轉矩諧波(A010*基波(A總結1、由控制器開關頻率的限制