【《多种调制方式下的电流谐波仿真分析案例》3800字】

多种调制方式下的电流谐波仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u26855多种调制方式下的电流谐波仿真分析案例 )基于式（5-2）中WN的对称性和周期性，离散傅里叶变换可改进为一系列的迭代运算，又称快速傅里叶变换（fastFouriertransform），简称FFT。Simulink集成了FFT分析模块，可通过Powergui模块进行调用，如图5-7所示。FFT分析时需要先选择对应的波形，再设置基波频率、最大频率、采样时间、采样周期等信息，即可得到该波形的各次谐波分布图，FFT分析界面如图5-8所示。、图STYLEREF2\s5SEQ图\*ARABIC\s27Powergui模块中的FFT分析工具图STYLEREF2\s5SEQ图\*ARABIC\s28FFT分析工具使用界面两电平矢量控制不同载波比下电流谐波对比按照图5-1的仿真模型，对不同载波比下的两电平矢量控制进行仿真实验，对比分析载波比对高速永磁同步电机的定子电流及其谐波含量的影响。永磁同步电机模型参数设置同表4-1，使电机稳定运行在额定转速60000r/min，带额定负载0.1573Nm，仿真时间设置为1s，载波比Nc选择10、20、40三种情况。(a)Nc=10(b)Nc=20(c)Nc=40图STYLEREF2\s5SEQ图\*ARABIC\s29不同载波比下的两电平矢量控制仿真波形两电平矢量控制下载波比分别选择10、20和40得到的相电流波形如图5-9所示，其中还包括端电压和电磁转矩波形。从图中可以看出，随着载波比的增大，相电流波形越来越接近正弦，对三种情况下的相电流波形作FFT分析，结果如图5-10所示。(a)Nc=10(b)Nc=20(c)Nc=40图STYLEREF2\s5SEQ图\*ARABIC\s210不同载波比下两电平矢量控制的相电流FFT分析从图中可以看出，两电平矢量控制调制方式下产生的相电流谐波主要分布在倍载波比频次附近，和4.1理论结果一致。载波比为10时，谐波幅值较高的次数为6、8、12、14、19、21，载波比为20时，谐波幅值较高的次数为16、18、22、24、39、41，载波比为40时，谐波幅值较高的次数为36、38、42、44、79、81和一些低频次谐波，这些低频次谐波主要产生于管压降和死区等原因。对比两电平矢量控制三种载波比下的相电流谐波畸变率，如表5-1所示。载波比为40的相电流谐波畸变率最小为13.54％，载波比为10的相电流谐波畸变率最大达43.36％。表STYLEREF2\s5SEQ表\*ARABIC\s21矢量控制在不同载波比下的电流谐波畸变率载波比Nc相电流总谐波畸变率1043.36％2020.45％4013.54％从上述仿真验证了矢量控制调制方式下，通过提高载波比能使定子电流产生的谐波含量更低，总谐波畸变率更小，定子电流更接近正弦。两电平矢量控制与三电平矢量控制电流谐波对比仍以表4-1所示电机为控制对象，对三电平矢量控制调制方式下的定子电流谐波进行仿真实验，其中电机稳定运行在额定转速60000r/min，带额定负载0.1573Nm，载波比为10。由于三电平逆变器所需要的功率器件是两电平逆变器的两倍，目前高载波比下选用的SiC功率器件成本较高，所以多电平与高载波比一般不会同时考虑。图STYLEREF2\s5SEQ图\*ARABIC\s211三电平矢量控制仿真波形仿真得到三电平矢量控制调制方式下的端电压、相电流和电磁转矩波形如图5-11所示，其中端电压存在正电平、负电平和零电平三种状态，载波比Nc为10时，一个基波周期内端电压应有5个正电平脉冲和5个负电平脉冲，由于电机稳定运行时仍存在轻微的转速波动，导致图5-11中一个基波周期内端电压有6个正电平脉冲。相比于图5-9，可以看出三电平矢量控制调制方式下的相电流更为正弦，对该电流波形进行FFT分析，分析结果如图5-12所示，电流谐波畸变率为21.07％，与载波比为20时的两电平矢量控制调制方式下的相电流谐波畸变率相差不大，但主要谐波分布是不同的。图STYLEREF2\s5SEQ图\*ARABIC\s212三电平矢量控制相电流FFT分析最佳导通角下PAM控制与标准PAM控制的电流谐波对比根据4.2分析可知，PAM控制存在最佳导通角α=16.5°，最佳导通角下PAM控制的定子电流谐波含量优于α=30°时的标准PAM控制。按照图5-5所示的仿真模型，分别对最佳导通角下PAM控制与标准PAM控制进行仿真实验，对比分析两种调制方式下的高速永磁同步电机的定子电流波形及其谐波含量。PAM控制是通过前置 Buck电路进行调压从而达到调速的目的，其中Buck电路参数为：电感L=1mH，电容C1=C2=250uF，开关频率50kHz，母线电压310V。以表4-1所示电机为控制对象，使电机稳定运行于额定转速60000r/min，带额定负载0.1573Nm，得到最佳导通角下PAM控制与标准PAM控制的相电流波形如图5-13~14所示，其中还包括端电压和电磁转矩波形。图STYLEREF2\s5SEQ图\*ARABIC\s213标准PAM控制仿真波形图STYLEREF2\s5SEQ图\*ARABIC\s214最佳导通角下PAM控制仿真波形PAM控制下逆变器每个桥臂存在上下管都不导通的时刻，导致换向时会发生二极管续流，从图5-13~14的端电压波形可以明显看出，每个基波周期存在两次二极管续流。相比于矢量控制下的相电流波形，PAM控制得到的相电流波形正弦性较差，对图5-13~14中的相电流进行FFT分析，分析结果如图5-15~16所示。图STYLEREF2\s5SEQ图\*ARABIC\s215标准PAM控制相电流FFT分析图STYLEREF2\s5SEQ图\*ARABIC\s216最佳导通角下PAM控制相电流FFT分析PAM控制方式下的谐波主要集中在低频次，包括5、7、11、13、17，高频次谐波幅值基本为0，由于PAM控制的驱动波形是严格半波对称且满足相位互差120°，所以偶次谐波和3的倍数次谐波幅值为0。最佳导通角下PAM控制的总电流谐波畸变率为22.51％，小于标准PAM控制下的总电流谐波畸变率30.53％。因此在PAM控制方式下，选择导通角α=16.5°能使电机定子电流产生的谐波含量更低，总谐波畸变率更小。高速永磁同步电机最优控制策略将上述仿真得到的不同调制方式下电流总谐波畸变率整理如表5-2，仿真对象均为表4-1所示电机，且都运行于额定转速60000r/min，带额定负载0.1573Nm。表STYLEREF2\s5SEQ表\*ARABIC\s22各控制方式下电流总谐波畸变率控制策略驱动方式载波比电流总谐波畸变率（THDI）矢量控制两电平SVPWM1043.36％2020.45％4013.54％三电平SVPWM1021.07％PAM控制α=30°方波-30.53％α=16.5°方波-22.51％ 从表中可以看出：a）在两电平矢量控制下，载波比越高THDI越小，在载波比达到40时，THDI为13.54％，小于载波比为10的43.36％和载波比为20的20.45％。 b）在载波比都为10的条件下，三电平矢量控制THDI小于两电平矢量控制THDI，且接近于载波比为20的两电平矢量控制THDI。 c）在PAM控制下，最佳导通角α=16.5°的THDI小于标准导通角α=30°的THDI，且接近于载波比为20的两电平矢量控制THDI。d）载波比等于40的两电平矢量控制电流总谐波畸变率为13.54％，小于载波比等于10的三电平矢量控制的21.07％和最佳导通角下PAM控制的22.51％。 总体而言，针对表4-1所示电机，载波比为40的两电平矢量控制电流总谐波畸变率最小，为其最优控制策略，其次是载波比为20两电平矢量控制、载波比为10的三电平矢量控制和最佳导通角下的PAM控制，这三种控制方案下的电流总谐波畸变率基本相等。 通过上述仿真结果，结合第3章理论分析，给出高速永磁同步电机最优控制策略选取方案见表5-3。提高载波比可大量减小矢量控制策略下的电流谐波畸变率，但随着转速的升高，受功率器件的硬件限制，开关频率是不能无限度提高的，载波比受限，所以高载波比两电平矢量控制更适用于中高转速；多电平矢量控制的逆变电路拥有更多的功率器件，每个功率器件只承受母线电压的1/n，所以更适用于高电压、大功率场