【多种调制方式下的高速电机电流谐波仿真分析案例4100字】

多种调制方式下的高速电机电流谐波仿真分析案例多种调制方式下的高速电机电流谐波仿真分析案例 11.1仿真环境及仿真模型的搭建 11.2两电平矢量控制不同载波比下电流谐波对比 51.3两电平矢量控制与三电平矢量控制电流谐波对比 91.4最佳导通角下PAM控制与标准PAM控制的电流谐波对比 1.1仿真环境及仿真模型的搭建矢量控制、三电平矢量控制和PAM控制三种调制方式下适合高速电机运行的最优控制策略，本章通过MATLAB/Simulink软件搭建各控制方式下的仿真模型并1.1.1ia=0矢量控制整体仿真模型00u基于ia=0矢量控制的永磁同步电机控制系统模型如图5-1所示，其中给定转速Nr*=60000r/min与实际转速Nr对比，经过转速环PI得到需求q轴电流i,d轴电流要求i*=0;将i、i*与永磁同步电机实际ia、i对比，经过电流环PI得到ua和u信号；再得到ua和uβ,最后通过SVPWM调xz-Nn的计算，三个基本电压矢量作用时间的计算，七段式时间状态分配(找到基本电压矢量和逆变器状态之间的对应关系),通过逆变器状态得到对应的PWM调制信号，如图5-4所示。基于PAM控制的双闭环永磁同步电机控制系统模型如图5-5所示，分为前置Buck电路、逆变电路、换向逻辑控制、双闭环控制rad2rpm图2-8中的双闭环控制部分中，给定转速Nr*=60000r/min与实际转速Nr对比，经过转速环PI调节器，得到Buck电路电感电流给定iz*,与采样的电感电流峰值iz做差，经过电流环PI调节器，得到Buck电路占空比D,D与三角波比较得到PWM波形作用于Buck电路的功率器件；转速环和电流环的PI调节模块均加入限幅和积分抗饱钳位，启动阶段给定Buck电路固定小占空比，避免启图2-8中的换向逻辑控制是通过霍尔获取电机转子位置信息，每种霍尔状态对应一种逆变器开关状态，具体实现方式如图5-6所示。对电流波形进行傅里叶变换即可分析其中的谐波含量，连续傅里叶变换基于式(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Setsimulationtype,simMachineInitializatiUseLinearSystemAnalyQKCancelHelp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，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。端电压UaoV0.5170.5180.5190.520.3690.370.3710.3690.370.3710电磁转矩Nm电磁转矩Nm0.3690.370.3710.510.5110.5120.510.5110.5120.510.5110.512两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图5-10所示。Fundamental(1000Hz)=5.17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%。载波比Ne1.3两电平矢量控制与三电平矢量控制电仍以表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。0.530.5310.5320.530.5310.5320.530.5310.532仿真得到三电平矢量控制调制方式下的端电压、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Ne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。0.5860.5870.5880.5860.5860.5870.5880.5860.5790.58D.5810.5790.580.5810.5790.580.581电磁转矩/Nm电磁转矩/NmPAM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，且都运行于额定转载波比电流总谐波畸变率(THDI)矢量控制PAM控制α=30°方波-α=16.5°方波-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。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、大功率场合；PAM控制的电流谐波畸变率不受电机转速影响，但