电流谐波分量对永磁同步电机转矩的影响

电流谐波对电机转矩的影响对于采用正弦控制的三相永磁同步电机来说，理论上电机输入电流和电压应该是理想的正弦波，但是在实际的工程应用中电机电流与电压波形都是近似于正弦波，其中含有大量的高次谐波分量。实际上绕组采用星型连接的三相永磁同步电机对谐波有一定的抑制效果，三次以及三的倍数次谐波在电机绕组对称的情况下由中性点是可以完全抵消掉，由此，可以避免三次及三的倍数次谐波对电机的影响，但是诸如五次、七次、十一次以及十三次等高次谐波在电机绕组中是确实存在的，这些电流中的高次谐波对电机性能会有一定的影响。弓I起电机电流谐波的原因很多，主要包括：永磁磁链的畸变、电机转速变化、电机定子齿槽、电机控制方式以及由电机控制器输出造成的电流畸变等。对于控制器来说，功率器件的开关频率对电机谐波的产生有着极其重要的影响，比如对于一款极对数为6，最高转速为9000rpm的电机来说，最高转速下电机频率为 150Hz,电流频率为900Hz，而控制器中IGBT 的开关频率最高为 10K , MOSFET的开关频率最高为 100K。在电机转速为9000rpm时一个 电流周期内的IGBT开关次数为11次，其一个周期内开关次数为100次与11次的电流波形如图1所示，从图1可以看出，开关次数为 11次的电流波形的谐波是十分明显的。由控制器元器件开关频率造成的谐波影响在电机不同转速下是不一样的，对比电机转速从1000rpm到9000rpm对应的一个电流周期内控制器开关次数如表1所示。表1转速&开关次数转速（rpm）100020003000400050006000700080009000开关次数1005033252016141211从表1可以看出，随着电机转速的不断上升，控制器在一个电流周期内的开关次数逐渐减少，而开关次数的减少必然引起电流谐波的增加，虽然在电路中有滤波电容的存在，但是滤波电容对高次谐波的抑制作用是十分有限的，这充分的说明了一点： 电机转速的上升必将导致输入电流谐波分量的增加，而对极对数和转速较高的电机来说这点是无法避免的。通过对电机的输入电流的傅里叶分析发现，高次谐波与基本具有相同的电气特性（包括相位和幅值），只是在频率上为基波的整数倍。与电流基波不同的是，电流中的高次谐波不 会对电机出力做出贡献，但是实际电流中的高次谐波会使电机转矩波动问题更加突出，而且谐波对电机损耗（尤其是铁耗）有着极为重要的影响。20302D10O1.1EN 毎图2五次谐波转矩图2所示为一款12极18槽电机在转速为1000rpm时由五次谐波驱动（忽略电流基波的存在）的转矩，从图中可以看出，电机转矩呈现周期变化，而且转矩平均值为0,由此可以断定谐波电流对电机转矩是没有贡献的。另外，五次谐波与电机转速对应的电流频率不等，造成电机无法输出恒正或者恒负的负载转矩，电机处于一种严重的失步状态，这也从另一方面说明了谐波对电机的影响。以上分析是基于五次谐波的特例，但七次、十一次以及十三次等高次谐波的影响类似。由高次谐波引起的周期性转矩频率较高，这些高频率的周期转矩与基波转矩相叠加以后提供给负载，造成电机输出的转矩也具有较高的脉动，而且电机输出转矩的脉动随着转速不断上升而加剧，原因是电机转速越高，更多的高次谐波更加明显。通过以上分析，充分的说明电流谐波对转矩的影响主要是转矩脉动而非转矩大小，通过谐波分析的方法来研究转矩偏差无异于缘木求鱼，那么引起转矩偏差的原因又会是什么呢？以下是可能的两个原因，具体原因有待证明。1、 由磁钢材料引起的误差，即实际电机中采用的磁钢材料与FEA软件中材料参数不一致（材料本身或者是运输存储过程中的性能改变）。2、 由示波器采集的电流或者是电压值包含谐波成分，而其中的谐波成分又让示波器测试值 高于基波实际值，而实际上谐波成分对电机转矩输出的大小没有贡献。由于无法定性的分析磁钢在运输和存储过程中的性能变化，而磁钢材料的实际特性需要通过试验的方法来验证，但是目前不具备这样的试验条件， 所以从磁钢材料方面分析的话这 将是一个无解的问题。但是，从影响磁钢性能的原因来看主要包含一下方面：磁钢内部结构变化、化学因素、温度、外加磁场、机械作用等， 此外包含磁钢本身因素如磁钢尺寸等。然而在磁钢的运输以 及存储过程中的内部结构变化、化学因素影响、温度变化、外加磁场影响和机械震动等因素是无法避免的，但是这些因素对磁钢的影响到什么程度却难以度量，但总的来说，分析电机性能时磁钢性能变化是一个必须考虑的因素。另一方面，从电流数据的采集进行分析。示波器采集的电流有效值为实际电流，其中包含电流基波与各种高次谐波，其电流有效值的计算方法如下:(1)式中I为电流有效值;I max正弦波幅值。则示波器测试到的电流有效值为:(2)式中 i =1 , 5, 7, 11, 13由于电流中的高次谐波对电机转矩没有贡献，则进行有限元分析转矩时不需要考虑谐波影响，但是通过示波器采集的电流有效值却是含有谐波成分的，也就是说谐波电流会让电流有效值增加，而且在电机高速运行时影响更大，但是其中的一部分有效值对电机转矩实际上是没有贡献的，换句话说，示波器采集的电流有效值并非全部都会产生电机转矩，而其中一部分有效值是没有作用的，这样就会使得采用示波器所示电流进行FEA做对比分析时出现电机转矩偏高的情况。下面具体分析电流谐波对有效值的影响，在电流基波幅值为100A和200A时分别添加五次谐波电流分量，谐波电流分量幅值从 0变化到50A，其电流实际有效值的分布情况如表 2所示。表2不同谐波含量的电流有效值谐波(A) 基波(A)''''0102030405010070.71177.78184.85291.92398.994100.606200141.421148.492155.563162.634169.705176.776从表2可以发现，随着电流中谐波分量幅值的不断上升，电流有效值也相应的增加，而且随着电机转速的上升，各次谐波分量与幅值都会呈现上升趋势，所以谐波影响随着转速的升高不断的加大。虽然谐波对电流有效值的影响巨大，但是对于转矩却并没有什么影响，表3所示为一款12极18槽电机在基波电流幅值为100A和200A，谐波电流幅值从 0增加到50A时的转矩变化情况。表3谐波电流&转矩皆波(A)基波(A)0102030405010049.9450.4450.6250.8351.1351.0920096.1896.5996.9297.1697.2897.30从表3可以看出，随着谐波电流的不断上升，电机转矩并未出现相应比例的增加趋势，而是呈现一种基本恒定的状态，这进也一步说明电流中的谐波分量对电机转矩是没有做出贡献的，但是谐波分量会使得电流有效值增加。总结1、由控制器开关频率的限制造成的电流谐波在电机高速运行时更加突出；2、 忽略谐波电流对电机损耗及转矩脉动的影响，谐波电流并不会对电机平均转矩的大小造 成影响；3、电机电流中的高次谐波不能增加电机转矩，但会使电流有效值增加；4、磁钢性能在生产、运输以及存储过程中的变化是不可避免的。