变频器控制异步电机谐波问题分析 （适合电气B方向）开题报告

文 献 综 述

一、 变频调速的概述

以前，对于交流电机还没有出现优良的调速方式，这使它的调速实现起来比较困难，虽然其具有轻便、简单、可以在艰苦条件下稳定运行等优点，但在对调速要求较高的时后，人们往往使用的还是直流电机。直到 20 世纪 70 年代，出现一种高效的交流变频传动的出现改变这种局面，这种传动是由电力电子器件控制的，由于它的出现，这使得交流笼型异步电机有了有效的调速方式，交流调速得到了飞速的发展。变频调速器又称变压变频装置，它主要调节交流电机的转速。它是将普通的电源变成电压和频率都可调的交流电源。控制器、变频调速器和驱动器构成了交流变频调速系统。其中，变频调速器是其核心部分，它可以平滑的改变电动机的电压和频率。

二、变频器的发展与现状

早期的变频器由晶闸管（SCR）组成，属于半控型器件，不能通过门极关断SCR，需要强迫流装置才能实现换相，故主回路结构复杂。此外晶闸管的开关速度慢，变频器的开关频率低，输出电压谐波分量大。全控型器件通过门极控制既可以使其开通又可使其关断，该类器件的开关速度普遍高于晶闸管，用全控型器件构成的变频器具有主回路结构简单，输出电压质量好的优点。常用的全控型器件有电力场效应晶体管（Power-MOSFET）、绝缘栅极型晶体管(IGBT)等。

现代变频器中用得最多的控制技术是脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)，其基本思想是:控制逆变器中电力电子器件的开通或关断，输出电压为幅值相等、宽度按一定规律变化的脉冲序列，用这样的高频脉冲序列代替期望的输出电压。

传统的交流PWM技术是用正弦波来调制等腰三角波，称为正弦脉冲宽度调制（SPWM），随着控制技术的发展，产生了电流跟踪PWM （CFPWM）控制技术和电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术。

正弦波脉宽调制(SPWM）技术： 以频率与期望的输出电压波相同的正弦波作为调制波（Modulation Wave），以频率比期望高得多的等腰三角波作为载波(Carrier Wave) ，当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲序列，这种调制方法称做正弦波脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）。

电流跟踪PWM （CFPWM）控制技术：SPWM控制技术以输出电压接近正弦波为目标，电流波形则因负载的性质及大小而异。然而对于交流电动机来说，应该保证为正弦波的是电流，稳态时在绕组中通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不产生脉动，因此以正弦波电流为控制目标更为合适。电流跟踪PWM（Current Follow PWM，CFPWM）的控制方法是:在原来主回路的基础上，采用电流闭环控制，使实际电流快速跟随给定值，在稳态时，尽可能使实际电流接近于正弦波形，这就能比电压控制的SPWM获得更好的性能。

电压空间矢量PWM （SVPWM）控制技术：经典的SPWM控制主要着眼于使变压变频器的输出电压尽量接近正弦波，并未顾及输出电流的波形。而电流跟踪控制则直接控制输出电流，使之在正弦波附近变化，这就比只要求正弦电压前进了一步。然而交流电动机需要输人三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。把逆变器和交流电动机视为一体，以圆形旋转磁场为目标来控制逆变器的工作，这种控制方法称作磁链跟踪控制，磁链轨迹的控制是通过交替使用不同的电压空问矢量实现的，所以又称电压空间矢量PWM Space Vector PWM，SVPWM)控制。

三、谐波分析的意义

在变频调速系统中，采用电力电子变压变频器作为驱动电源，供电系统中不可避免地存在大量的高次谐波成分，对外表现为非正弦供电。这些高次谐波对电机的影响主要表现为磁路中的谐波磁势和电路中的谐波电流.谐波电流导致的谐波损耗主要可分为定、转子绕组谐波电流产生的附加铜损耗，电源谐波产生的附加铁耗和附加杂散损耗等。这些损耗会导致电机的效率和功率因数降低、电流升高、温升增加等一系列问题。一台普通异步电机在变频电源驱动下，其温升比标准正弦电源驱动要增加10%~20% 。同时这些谐波磁动势与转子谐波电流合成又产生恒定的谐波电磁转矩和振动的谐波电磁转矩，这些振动的谐波电磁转矩会使电机产生脉动，从而造成电机转速(主要是低速时)振荡，甚至引起系统不稳定。谐波电流还导致电机峰值电流增大，在一定的换流能力下，谐波电流降低了逆变器的负载能力。此外，电力电子变频器运行时产生的副作用还有：传导和辐射的电磁干扰、对电机的绝缘结构破坏严重、振动和噪声增大等一系列问题。对于变频电机，要在设计过程中综合考虑这些影响，采取合理的措施避免或减小变频器供电对异步电机造成的这些影响，以达到最佳的技术效果。

对于现在被广泛运用的 SPWM 技术，虽然对低次谐波有很好的抑制作用，但在该调制方式的影响下，变频器输出的波形中高次谐波含量升高。在低压时，更为明显，其含量甚至可达到基波的含量，这会大大影响电机的工作状态。其次，对于普通正弦电供电下的电机来说，电磁振动和噪声是一个很难以解决的问题，如将正弦电源换成逆变器供电，那么非正弦电产生的高次谐波会使这个问题变得更为棘手和难以解决。此外，在低频运行时，没有被消除的低次谐波会产生脉动转矩，这会影响电机的低速运行。目前，应用较多的是正弦波脉宽调制电压型逆变器。但这种逆变器并没有有效地消除高次谐波，在其输出的电压、电流中仍还有大量的高次谐波，为了改善这一问题，许多学者和该方面的工程师对谐波问题做了大量的研究工作。

参考文献

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[2] 潘高强，逆变器PWM谐波分析及谐波抑制方法研究，硕士论文，2010

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[6] 刘万太，彭 晓，谢卫才，李永坚，变频调速异步电机的谐波分析，湖南工程学院学报，2011年9月

[7] 高 莹，谢吉华，陈 浩，SVPWM的调制及谐波分析，微特电机，2006年第7期：11-12,25

[8] 梅从立，刘国海，廖志凌，空间矢量PWM谐波分析及其对电机转矩的影响，微特电机，2004 年第7 期：16-19

一、本课题要解决的问题

（1）对SPWM（SVPWM）变频器供电异步电机驱动系统进行深入了解。

（2）对电路的谐波分布及其治理措施进行深入研究。

（3）在电路分析软件中建立仿真电路，对设计结果进行分析。

二、本课题拟采用的研究手段

（1） 查阅相关资料，熟悉异步电机调速基本原理；

（2） 查阅SPWM（SVPWM）变频器的控制方法，分析其谐波分布；

（3） 选择合适的参数，用MATLAB仿真工具完成仿真，对结果进行分析。