电机驱动电路高次谐波抑制研究

用。但是因为变频驱动电路含有大量非线性的开关半导体器件，导致输出电流含有大量高次谐波，对负载造成干

扰。本文首先分析变频驱动电机产生高次谐波机理.通过数学建模得到高次谐波表达式；接着为了抑制变频驱动电 路产生的高次谐波，提出一种基于特定次谐波注入法的谐波抑制方案，即在SPWM正弦信号中注入5次、7次谐波 补偿电压，进而达到降低输出电流特定次谐波含量。通过Matlab/Simulink仿真和实验验证了该方案能够有效降低变

频驱动电路产生的特定次高次谐波，降低谐波畸变率，减少交流电机转矩脉动，提高输出电流电能质量，保证电机 稳定运行。关键词：变频驱动电机；高次谐波；特定次谐波注入法；电能质量

中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2019)12-0065-05Research on High-order Harmonic Suppression of Motor Driving CircuitLIU Lin1 2, TAN Guangdao3, LIU Xiangchen4(1. College of Applied Engineering, Henan University of Science and Technology, SanmenxiaHenan 472000, China ； 2. Sanmenxia Vocational and Technical College, Sanmenxia Henan 472000, China ；3. Huaneng Power International Limited by Share Ltd Guizhou Branch, Guiyang 550081 , China ；4. Aviation Industry Lanzhou Wanli Aviation Electromechanical Co., Ltd., Lanzhou 7612869, Chnia)Abstract: As the driving unit of AC motor, frequency conversion device is more and more widely used be­cause of its good energy-saving effect and high speed control accuracy. However, because the circuit topolo­

gy of the frequency conversion device contains a large number of non-linear switching semiconductor devices, resulting in a large amount of output current, which interferes with the load. Firstly, the mechanism of high-

order harmonic generation in frequency converter was analyzed, and the expression of high-order harmonic generation was obtained by mathematical modeling. Secondly, in order to suppress high-order harmonic gen・ eration in frequency converter, a harmonic suppression scheme based on specific harmonic injection method was proposed, that is, to inject 5 and 7 harmonic compensation voltage into SPWM sinusoidal signal, so as to reduce the specific harmonic content of output current. The simulation and experiment of Matlab/Simulink

prove that the scheme can effectively reduce the specific sub-high harmonics.

Key words: frequency converter ； high・order harmonics ； specific subharmonic injection method ； power qualityo引言变频装置作为交流电机的驱动单元，因其节能 效果良好等优点，得到越来越广泛地应用。但是因 为变频装置主要由整流、逆变电路构成，此类电路

拓扑含有大量非线性的开关半导体器件.引起输出

电流含有大量高次谐波，对负载造成干扰3）。为了抑制变频驱动电机产生的谐波，文献[4-6] 将二阶高通滤波器应用到变频驱动电路中，该方法 虽然滤波特性较好，但其属于电路硬件设计，增加

收稿日期：2019 -05 -28,修回日期：2019-10-15基金项目：2013年度河南省高等学校重点科研项目课题（14B510008）作者简介：刘 琳（1978）,女，硕士，讲师，研究方向为电子技术、物联网技术。・66・撒电机52卷了系统体积和成本。文献［7-9］提出一种在传统P1 控制中将预测控制算法引入电流内环的控制方法，

该方法能够有效抑制逆变器产生的三次谐波，但由

Uq =厶不 + * + dituLi,! + 于实际控制模型参数不确定性，故在实际中应用较

晌(3)少。文献［10-12］提出一种比例复数积分来抑制谐波 的方法，该方法是一种组合谐波抑制方法，能够有

在电机稳态运行时，忽略式(3)中的交流分量, 只保留直流分量，可以得到电机稳态电压方程为：效减小稳态误差文献，但控制精度不高。本文首先对变频驱动电机谐波产生机理进行分

f^d =iAR-a)Li^\\

I% =JR +a)LiA +如『矢量控制，则电机转矩方程为：(4)析，通过数学建模得到其低次谐波表达式，接着提 出一种特定次谐波注入法来抑制相应次谐波，该方 案基于电力电子技术与DSP芯片数字信号处理技术，

本文交流电机为表贴式直驱PMSM,采用id=0T.=产生一个与谐波分量幅值相等相位相反的波形。通 过Matlab/Simulink和实验验证了该方法具有灵活性

于肿q3(5)式中，勺为交流电机极对数。好、实用性强，对特定次谐波抑制能力较强的优点， 可以应用在变频驱动电机谐波处理领域。2变频驱动电机谐波抑制2.1变频驱动电路谐波分析因为变频驱动电路中不管是二极管元器件还是

1变频驱动电机数学模型图1为变频驱动电机的等效电路图。变频驱动

IGBT元器件都是非线性开关半导体，导致输出三相

正弦交流电发生畸变。对于周期为T = 2e/3的非正 弦电压，式(1)可以进行傅里叶分解：电路由整流、逆变电路组成，在整流电路中采用二 极管整流元器件，在逆变电路采用IGBT逆变元器

件；在整流、逆变电路连接处有电解电容，其作用 为储能、平波；输出连接有用来滤波的电感；负载

u(3)= a0其中,》(％ cosnajt + bn sinnajt) (6)为交流电机。cosnw^d(st)bn} 5—J u(a)t) sinnMtd(o)t)1,2,-)(7)

非正弦电压又可以表示为u( = a。+》c” sin(“wt + o”)

图1变频驱动电机等效电路图n = 1(8)变频驱动电路输出为三相正弦交流电压：式中，c” = Ja： + 仍,角。交流电机输入电压又可表示为：(1 )变频驱动输出电流通常包含高次谐波，其中以

式中，〃为输出电压幅值；少为角频率；。为初相

5次、7次等低次谐波占主要成分。基波、5次、7

次谐波在同步旋转坐标系下矢量关系如下图所示。j • 口 奶fa= L — + iaK + co ——

dt dtr

dib . D (%(2)u = L — + itK +(o —— c dt c dt式中，厶为变频驱动电路滤波电感；i为电机输入电

,die . D

d如流；R为电机三相绕组等效电阻；如为交流电机定 子三相磁链。对式(2)进行变换，可以得到旋转坐

图2旋转坐标系矢量关系联立式(1)和式(8),根据图2可以得到含有基

标系下的数学模型如式(3)所示。波、5次、7次谐波的输出三相电压表达式。12期刘琳等：电机驱动电路高次谐波抑制研究・67・ua = U|Sin(st + & ) + u5sin( -5o)t + 05)+ u7sin(7a)t + 37) + •••% =u{ sin((Dt +3} 2 TT)+ u5 sin( -5oX + 05 -亍2+ u-j sin {lajt +。7 —亍竹2)+ …

(9)叭=u{ sin (st + % + —2 it ) + u5 sin( -5o)t + 35 + ~2tt )+ \"7 sin (7少 + $ + —2) + …上式中，厲、05、。7为基波、5次谐波、7次谐 波的初相角；坷、划、知为基波、5次谐波、7次谐

波的电压幅值。谐波电流由谐波电压产生，变频驱 动电机输出含有谐波的电流表达与式（9）类似，且

各次谐波电流与谐波电压的旋转方向和角频率均相

同。与基波稳态电压方程（4）类似，在呦5次旋转坐

标系下，5次谐波稳态电压方程写为=ld5 +5wLi,5

（]0）1知5 =订只-53“^ — 5oh{/b式（10）中，％、即分别为5次谐波电压在95轴上的分量。同理，7次谐波稳态电压为= ijiR _ 7®厶打7

（11）1«,7 =：泸 +7®馮 +7® 如式（11）中，％、知7分别为7次谐波电压在d?轴、5 轴上的分量；心、如分别为7次谐波电压在必轴、 5轴上的分量。2.2 5次、7次谐波提取在勿同步旋转坐标系下基波为直流分量，而5

次谐波、7次谐波为交流分量；在如§同步旋转坐标

系下，5次谐波分量为直流分量，而基波、7次谐波 均为交流分量；在如7同步旋转坐标系下，7次谐波

分量为直流分量，而基波、5次谐波均为交流分量。 则可以利用低通滤波器滤波的方法来实现，得到呦5 坐标系下的5次谐波电流的直轴分量讣和交轴分量

心、dg：坐标系下的7次谐波电流的直轴分量和交

轴分量岛。变频驱动电机输出三相电流中的5次谐 波和7次谐波电流提取模块如图3所示。:三e—►图3 5次、7次谐波电流提取模块根据式（10）、（11）的5次、7次谐波稳态电压 方程，为了提高变频驱动电机控制精度，设计带有

交叉乘积项的PI前馈补偿调节器，准确计算岀谐波

电压，谐波电流交叉PI解耦控制原理如下图。图4谐波电流交叉PI解耦控制原理图2.3补偿谐波电压通过5次、7次谐波电流、谐波电压提取模块

提取的切5、切7、6如、e如都是稳定的直流分量，带

入谐波稳态电压方程可以得到注入谐波电压补偿分

量u詁、u需,且符号取反，如式（12）、（13） o[% = - i^R ~ 5o）Lig5

（12）U,,5 =

+53% +5® 似ru（13）lu,7 = - JiR

-iMifjfj式（12）中：u；、知;为抑制5次谐波电流的谐波电压 补偿分量；式（13）中u；、礦为抑制7次谐波电流 的谐波电压补偿分量。3 Matlab/Simulink 仿真分析为了验证基于特定次谐波电流注入法的变频驱 动电机可以对5次、7次等低次谐波进行有效抑制。

在Matlab/Simulink下搭建控制系统的仿真模型，变 频驱动电机主要参数如表1所示。表1变频驱动电机仿真参数参数参数值输入三相电压/V380电解电容/»F1630滤波电感/mH4.7负载等效电阻/020开关频率/kHz10.0基于特定次谐波电流注入法的变频驱动电机控

制系统结构如图5所示，采用双闭环PI控制策略。・68・徽电机Fundamental(50Hz)=10.18,THD=2.03%52卷图5基于特定次谐波电流注入法的变频驱动电机控制系统图

图6为未采用特定次谐波电流注入模块变频驱 动电机三相电流波形及THD分析图。21)!>1(155 o-5-0-15-200 0.02 0.040.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20

(a)三相电流波形t/s

Fun3 -22und jo 10

w

00

1115

llill10 1 iIIlLIIlLHarmonic 15 order20 25 30(b)THD仿真结果图6未采用谐波注入法的变频驱动电机三相电流及THD仿真波形由图6可知，未采用谐波注入法的变频驱动电

机三相电流波形正弦稳定性较差，波形并不光滑含 有大量毛刺，且在波峰和波谷处存在较大波动，总 电流谐波畸变率THD为7.71%，谐波电流含量主要

集中于5次、7次谐波，其含有率分别在33.91%和

17.4%。图7为采用特定次谐波电流注入模块变频

驱动电机三相电流波形及THD分析图。0 0.02 O.(M 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.180.20//s(a)三相电流波形图7采用谐波注入法的变频驱动电机三相电流及THD仿真波形由图6及图7可知，采用5次、7次谐波注入法

的变频驱动电机输出电流波形正弦稳定性较好，波 形光滑且波峰和波谷处基本无波动，总电流谐波畸 变率THD为2. 03% , 5次、7次谐波几乎为0,不

会对电机稳定运行产生影响。图8为未采用和采用特定次谐波电流注入法分

别得到的电机转矩波形。2015i 1000.6 0.7 0.8

0.9Z/s(a)未采用谐波注入法2015送1050-50.6

0.7 0.8

0.9 1//s提特定次谐波电流注入法分别得到的电机转矩波形

更为平滑，有效减少了转矩脉动。4实验分析为了进一步验证理论分析及仿真的正确性，本 文以西门子公司生产某型号变频驱动电机为实验对

象，搭建了基于TI公司DSP芯片TMS320F28335的 变频驱动电机控制系统，通过Tektronix公司的

12期刘琳等：电机驱动电路高次谐波抑制研究・69・MDO4104B-3示波器对实验波形进行观测、分析。

图9为未采用和采用谐波注入法的变频驱动电

机A相电流及输出转矩实验波形。二|

I

1 4m <««) |* kJ•—尽\"2T

； T ! H (a)未釆用谐破注入法釆用谐波注入法图9变频驱动电机A相电流及输出转矩对比波形对比图9(a)、图9(b)可以看出：未加入谐波

电流注入得到变频驱动电机输出A相电流波形，存 在较多毛刺，尤其是在峰-峰值处谐波畸变率高。 而采用谐波电流注入模块得到的变频驱动电机输出

A相电流波形光滑，正弦稳定性较好，尖峰毛刺较

少，峰-峰值处的波形畸变率较小，电能质量高。 对比转矩波形可以看出，采用本文所提方案得到的

转矩波形更为平滑，转矩脉动得到了抑制，稳定性

能好，增加了交流电机在伺服控制系统中精度。5结语本文对变频驱动电机谐波产生机理进行分析,

通过对变频驱动电机数学建模，得到其低次谐波表 达式，接着提出一种特定次谐波注入法来抑制相应 次谐波，在变频驱动电机控制系统中，通过引入对

特定次谐波电流的抑制模块，对影响输出电流较为 严重的5次、7次等低次谐波进行有效抑制，减少

了交流电机转矩脉动。仿真和实验结果表明：本文所提方案可以对5

次、7次等特定低次谐波进行消除，得到的三相电

流，转矩波形更为光滑，所提方法具有有效性和较 好的实用性，具有一定的理论参考和工程应用价值。参考文献[1] 杨沛豪.无刷直流电机无位置传感器控制系统研究[D].兰州

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