电流谐波分量对永磁同步电机转矩的影响
大功率永磁同步电机运行谐波分析与抑制方法研究
Analysis and Study of Harmonic Suppression of High-power Permanent Magnet Synchronous MotorA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theDegree of Master of EngineeringByZhen ShuaiSupervised by Liao YongSpecialty: Electrical EngineeringCollege of Electrical Engineering of Chongqing University,Chongqing , ChinaMay, 2011摘要由于气隙磁场的畸变和逆变器的非线性特性使永磁同步电机电流中含有大量高次谐波，电流波形发生畸变，导致电机电磁转矩脉动，限制了永磁同步电动机在宽范围调速、高精度的位置、速度控制场合的应用。
分析以及抑制永磁同步电机运行谐波，减小永磁同步电机输出电磁转矩脉动已经成为国内外研究的重点。
针对这一问题，本文在经过详细的分析以及系统理论推导后，提出了一种以注入谐波电压的方式来抑制永磁同步电机运行谐波的控制方式。
首先在分析永磁同步电机的基本工作原理，建立永磁同步电机的数学模型的基础上；详细分析了永磁同步电机产生运行谐波的原因，推导得出了永磁同步电机谐波数学模型，并提出了一种新颖的谐波抑制算法。
该算法在谐波dq轴系下实现实时提取电机相电流中谐波分量，通过加入谐波电流环的方式，实现对谐波电流的闭环控制，得到精确的谐波电压分量，并将得到的谐波电压分量注入到永磁同步电机调速系统中的三相控制电压中，抵消电机运行时电机电流中的谐波分量，实现对谐波电流分量的抑制，改善了电机电流波形，抑制了电机电磁转矩脉动。
永磁同步电机的转矩直接控制
永磁同步电机的转矩直接控制一、本文概述本文旨在探讨永磁同步电机（PMSM）的转矩直接控制策略。
永磁同步电机作为现代电力传动系统中的核心组件，具有高效率、高功率密度和优良的控制性能。
转矩直接控制作为一种先进的电机控制技术，能够实现对电机转矩的快速、精确控制，从而提高电机系统的动态响应性能和稳定性。
本文首先将对永磁同步电机的基本结构和原理进行简要介绍，为后续转矩直接控制策略的研究奠定基础。
随后，将详细阐述转矩直接控制的基本原理和实现方法，包括转矩计算、控制器设计和优化等方面。
在此基础上，本文将重点分析转矩直接控制在永磁同步电机中的应用，探讨其在实际运行中的优势和局限性。
本文还将对转矩直接控制策略的性能进行仿真和实验研究，评估其在不同工况下的控制效果。
通过对比分析，本文将提出改进和优化转矩直接控制策略的方法，以提高永磁同步电机的控制性能和运行效率。
本文将对转矩直接控制在永磁同步电机中的应用前景进行展望，探讨其在新能源汽车、工业自动化等领域的发展潜力。
本文的研究成果将为永磁同步电机的转矩直接控制提供理论支持和实践指导，推动其在现代电力传动系统中的广泛应用。
二、永磁同步电机的基本原理永磁同步电机（PMSM）是一种特殊的同步电机，其磁场源由永磁体提供，无需外部电源供电。
PMSM利用磁场相互作用产生转矩，从而实现电机的旋转运动。
PMSM的定子部分与常规电机相似，由三相绕组构成，用于产生电磁场。
而转子部分则装有永磁体，这些永磁体产生的磁场与定子绕组的电磁场相互作用，产生转矩。
PMSM的转矩大小和方向取决于定子电流的大小、方向以及永磁体与定子绕组磁场之间的相对位置。
PMSM的控制主要依赖于对定子电流的控制。
通过改变定子电流的大小、频率和相位，可以实现对PMSM转矩和转速的精确控制。
与传统的感应电机相比，PMSM具有更高的转矩密度和效率，以及更低的维护成本。
PMSM的工作原理基于法拉第电磁感应定律和安培环路定律。
当定子绕组通电时，会产生一个旋转磁场，这个磁场与转子上的永磁体磁场相互作用，产生转矩。
空间矢量PWM谐波分析及其对电机转矩的影响
择。4谐波对电机转矩脉动的影响由于逆变器输出电压中 含有基波及各次谐波，它们各自在电机中将产生相应的 电磁转矩。为了获得高性能的电磁转矩，要尽可
能地减少谐波转矩对电机的影响。因为谐波转矩将使电 机产生转矩脉动，其中影响较大的是5次和7次谐波。下 面以5次和7次谐波为例进行具体分析。设基波
电压的相序为正相序，那么由谐波分析可知，5次谐波为 逆相序，而7次为正相序。5次和7次谐波电压在转子中产 生的感应电流都是6次谐波。如果在不考虑
图任一电压空间矢量可定义为：自的导通状态，上开关 通为1，下开关通为0，U（1为直流电压值。用基本空间 矢量法估算电动机的电压：在任一时刻投影的
电动机的电压矢量都落在六个扇区的一个之中，这样在 任一时刻的电动机电压矢量都可以通过相邻的基本空间 矢量上的两个矢量元素估算出来（如所示）：调制
的约束条件是：式（4）决定了直流电压为Ud时采用逆变 器供电时的最大电压。把式（3）带入式（4）得：6.的作 用时间，T.为零矢量作用时间，T（
在全数字高性能交流调速系统中，通常采用数字脉宽调 制来代替传统的模拟脉宽调制。空间矢量脉宽调制 （SVPWM）技术是近年来研究的一个热点。SVP
WM是把三相变流器的端部电压状态在复平面上综合为空 间电压矢量，并通过不同的开关状态形成八个空间矢量， 利用这八个空间矢量来逼近电压圆，从而形成
SVPWM波。它能在较低的开关频率下获得较好的谐波抑 制效果和比SPWM高约15%的基波电压。同时，SVPWM调 制技术还有一个优点即易于实现数
，定子电阻0.6878，定子电感83.97 mH，转子电阻0. 8428， 转子电感85.基波与5次谐波和7次谐波以及各种组合对电 磁转矩影响如
~ 9（都是电机在空载条件下的仿真结果）所示。从以上 仿真分析可以看出，5次和7次谐波对电磁转矩的脉动存 在相互抵消作用，的电磁转5谐波优化方案
675 考虑转子磁通谐波的永磁同步电机控制性能分析
第*期
揭贵生， 等： 考虑转子磁通谐波的永磁同步电机控制性能分析
JE
［!］ 的 !， ， 其核心目的是 " 轴电流控制器的设计上 消除电机模型的交叉耦合， 以避免在电机动态过程
因数控制的控制公式， 并在此基础上将内模电流控 制的思想进一步深化， 将电机永磁磁链谐波引起的 反电势作为负载扰动， 由内模电流控制来抑制这种 负载扰动和不考 虑 电 机 模 型 的 交 叉 耦 合 所 带 来 的 电流控制误差， 提 高 电 流 的 动 态 跟 踪 性 能， 以此来 抑制电机永磁磁链谐波产生的转矩波动的影响， 并 对其转矩、 转速和响应速度等综合性能结合实际应 用进行了仿真分析。
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电机参数对永磁同步发电机电流谐波的影响
电机参数对永磁同步发电机电流谐波的影响发布时间：2021-05-28T01:51:15.134Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第4期作者：吴刚[导读] 永磁同步发电机具有结构简单，功率密度高、效率高等优点，在新能源发电和电力驱动领域得到了广泛应用。
淮南平圩发电公司安徽省淮南市 232033摘要：永磁同步发电机具有结构简单，功率密度高、效率高等优点，在新能源发电和电力驱动领域得到了广泛应用。
定子电流谐波是影响发电机性能的一个重要性能指标，本文从电机本体出发，利用Ansys软件建立了表贴式和内置式两种转子类型的电机有限元模型，并在上述基础上分析了永磁同步电机不同转子结构和永磁体厚度对电感参数的影响进而结合仿真分析了电机参数对永磁同步电机电流谐波的影响。
关键词：永磁同步发电机；电机参数；谐波永磁同步发电系统中发电机内部磁场主要包括两个部分：一部分是与电机转子同步旋转的主磁场；另一部分是电机内不与转子同步旋转的磁场即谐波磁场。
产生谐波磁场的因素有：电机铁心开槽引起的气隙磁导不均匀而产生的齿谐波存在的磁场；PWM变流器调制使定子电流含有时间谐波而产生的磁场；定子绕组空间分布不均匀产生的空间谐波磁场。
对于传统的永磁同步电机，常常忽略谐波磁场，在可控永磁同步发电系统中，尤其是对于频率较高的电机，其内部常常含有一系列的高频谐波分量，在电机内产生谐波损耗，温度升高导致发电机性能下降，影响发电效率，严重时损坏整个系统。
因此，对可控永磁同步发电系统中的谐波进行分析和抑制显得尤为重要。
一、谐波的危害PWM变流器的应用，为电力电子装置在提高效率和可靠性、减小体积和重量、节省材料、降低成本等各方面提供了有利的条件，并为机电一体化、智能化奠定了坚实的基础。
随着PWM变流器应用的日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的干扰源。
由于受控制技术及开关频率的限制，其输出的电压电流波形中谐波含量较高，主要是由各种电力电子装置、变压器等产生的，由此带来的谐波污染问题也日渐加重[1]。
谐波对同步发电机轴转矩平衡的影响分析
谐波电流对同步发电机轴转矩平衡的影响分析摘要：在独立小容量供电系统中，小容量发电机组带非线性负载的能力差。
这是因为非线性负载带来的谐波电流干扰了同步发电机的正常运行。
（建议删除）小容量电源为非线性负载提供电能时，大量的谐波电流会流过电机的电枢绕组。
论文分析了谐波电流对同步发电机内部磁场的影响，利用能量法推导出电磁转矩在电枢电流含有谐波时的解析式，并计算出了该负载给同步发电机带来的电磁转矩脉动，建立了基于MA TLAB的非线性负载模型，以此为基础，论述了谐波电流对小容量发电机组轴转矩平衡的影响以及产生机械振动的机理。
关键词：同步发电机；非线性负载；谐波电流；电磁转矩；中图分类号：TM301 文献标识码：AAnalysis of torque balance of synchronous generator under the distortion of harmonic currentAbstract: Short-capacity generator has a poor ability to give power to non-linear load in short-capacity system. When it supplys power to non-liner load, harmonic current will flow through the generator’s armature. This part of current will distort the armature reaction. This article analysed how harmonic current influence the magnetic field inside the synchronous generator, and deduced a formula that can describe the electromagnetic torque pulsation brought by harmonic current, then gave an example based on MA TLAB model. The example demonstrates how diesel generator vibrates under the distortion of harmonic current.Key word: Harmonic current; Synchronous generator; Electromagnetic torque; Short-capacity generator；Magnetic field; Non-linear load1 引言当前，计算机、变频器、电子开关、节能灯等非线性负载大量应用，这给电网带来了日益严重的谐波污染。
一种永磁同步电机气隙谐波转矩补偿方法
一种永磁同步电机气隙谐波转矩补偿方法武四辈【摘要】电动汽车用永磁同步电机由于设计、制造等导致气隙磁场产生畸变,使得电机电流波形带有谐波,最终导致转矩产生波动.提出了一种谐波转矩补偿方法,在电机电流双闭环控制基础上,通过在电压上补偿一定的谐波,达到抑制电流和转矩波动的效果.仿真结果表明,该方法可以有效地提高电流的补偿效果,并明显改善转矩波动.【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2016(043)009【总页数】4页(P66-69)【关键词】永磁同步电机;气隙磁场;谐波转矩补偿【作者】武四辈【作者单位】上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TM351永磁同步电机具有高效率、高功率密度等优点，已经逐渐被广泛应用于机床、电动汽车、风力发电等领域[1-2]。
但由于转子磁极结构、磁路饱和效应等使得电机的气隙磁场带有不同程度的谐波，这些谐波会导致电流波形畸变，从而使得电机的转矩产生波动，增加电机的振动和噪声，这样就有必要对谐波进行抑制。
国内外一些学者从电机设计的角度对永磁体磁场进行了研究，利用有限元等方法来分析永磁体磁场，并提出了一些改进方法来削弱谐波分量[3]。
但这些方法很难从设计角度使得励磁磁场正弦分布，且增加了成本，因此目前阶段从电机控制的角度采取措施来消除或减弱磁场谐波的影响显得更有意义。
文献[4-7]从电机控制的角度对补偿方法进行了研究，但存在着实际工程应用困难、算法复杂的问题。
本文提出了一种工程上简单、易于实现且有效的谐波转矩补偿方法。
首先对所研究电机进行了电机转子磁场谐波测量，根据测量结果建立含有谐波的电机模型，并对模型进行谐波补偿。
对补偿后的波形进行分析可知，气隙谐波导致的电流波形畸变和转矩波动都得到了改善。
理想模型认为转子磁场在气隙中为理想的正弦分布；但实际上由于电机永磁体制造及工艺上的限制，永磁体产生的转子磁场谐波含量很大，实际转子磁场不是理想正弦分布的。
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。
引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。
图1电流波形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。
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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。
引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。
图1电流波形
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。
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：
2
sin max
2
max 2I t
dt t I I t =
⋅⋅=
∫∞
=（1）
式中
I 为电流有效值；
max I 正弦波幅值。
则示波器测试到的电流有效值为：
∑=i i all
I I 1
max 21（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)
010********基波(A)
10070.71177.78184.85291.92398.994100.606
200141.421148.492155.563162.634169.705176.776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
谐波(A)
010********基波(A)
10049.9450.4450.6250.8351.1351.09
20096.1896.5996.9297.1697.2897.30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。