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基于驱动电机性能的控制器谐波影响研究

2024-09-20 49 上传者：管理员

摘要：文章论证了驱动电机实测效率偏低的原因，对于分析解决电机单体效率不达标问题具有重要指导及参考价值。从理论上分析了谐波产生的原因及对电机性能的影响分析，并通过仿真分析的手段论证了谐波对电机输出转矩以及效率的影响。基于某款新能源乘用车驱动电机，结合两款控制器，通过控制器谐波数值差异与实测电机效率的偏差值分析，论证了谐波对电机效率带来的负面影响。最后说明了谐波抑制对于提升电机效率的必要性，并提供了相关可行的优化措施。

关键词：
控制器谐波
效率提升
新能源
纯电动
驱动电机
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近几年新能源乘用车市场占有率不断提升，电动化成为了汽车技术发展的主流趋势，尤其以“蔚小理”等为代表的造车新势力，将纯电动车技术不断推向高端化、智能化、网联化的新发展态势。为了满足用户对纯电动汽车加速性能好、续航里程高、充电速率快、成本低等需求，电驱动技术也朝着高功率密度、高效率、高转速等方向发展。驱动电机作为新能源车上最大的用电零部件，其系统效率备受关注，因此国内外专家学者对驱动电机效率提升从各自领域做了深入的研究[1]。

高效率作为提升整车续航里程、降低动力电池成本的有效措施，800 V SIC控制器、扁线油冷电机成为技术主流，如何做好电机和控制器的匹配充分发挥性能是关键，其中控制器的谐波是关键影响因素之一。

1、谐波的产生

电机控制系统中，控制器将直流电通过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）输出三相交流电，控制驱动电机的转速、扭矩等。电压调试过程中，对线性负载施加正弦电压时，负载上电流与施加电压呈线性关系，负载上的电流为正弦波；而当对非线性负载施加正弦电压时，负载上电流与施加电压呈非线性关系，负载上的电流波形将发生畸变而不再是正弦波[2]，如图1所示。

图1谐波波形示意图

任何周期性波形均可通过傅里叶变换分解为若干个不同频率的正弦或余弦波。除了基波频率的电量，其余大于基波频率的电流产生的电量，称为谐波。谐波次数是谐波频率与基波频率的比值。

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）谐波主要包含两部分：功率器件存在的死区效应及导通压降使三相电流产生高次时间谐波；电机齿槽不对称、铁心磁饱和等引起气隙磁场畸变产生空间谐波[3]。

2、谐波的影响分析

谐波的存在会使电机的损耗增加、发热严重，影响系统可靠性，同时还会产生转矩和转速脉动，影响电机运行平稳性。

2.1对输出转矩影响

驱动电机作为电感、电阻构成的负载，接收控制器输入电流与永磁体磁场作用产生扭矩。

式中，Tem为输出转矩；p为极对数；Ψf为永磁磁链；iq为交轴电流；id为直轴电流；Ld为直轴电感；Lq为交轴电感。

忽略温度、绕组不平衡等影响，电机极对数、交直轴电感、永磁磁链参数相对固定，电机输出特性与输入电流呈正相关。

电流表达式为

式中，Is为总电流；I1为基波电流；K1、K2、Kn分别为1、2、n次谐波电流系数；ω为基波频率；t为时间。

谐波的存在对电机输出扭矩值影响很小，但会导致输出扭矩产生较大的波动，因此产生转矩脉动影响电机运行的平稳性。

2.2对电机损耗影响

电机在能量转换过程中产生的损耗最终都以热量的形式散发出去，电机的损耗主要可分为铜损、铁损、风摩损耗、杂散损耗。

1.铜耗

铜耗是由电流经过绕组铜线所产生的电阻热，与电流有效值和电阻强相关：

式中，Pc为绕组铜耗；I为电流有效值；ρ为电导率；L为导体长度；s为导体截面积。

在电流有效值相同的情况下，有无电流谐波对铜耗无明显影响。

2.铁耗

永磁同步电机中铁耗包含铁芯损耗和永磁体损耗。铁耗是导磁材料在交变磁场中被反复磁化产生，分为磁滞损耗和涡流损耗两部分[4]。

铁芯损耗一般近似表示为

式中，PFe为铁耗；KFe为铁耗系数；f为磁场交变频率；Bm为最大磁通密度；V为磁钢体积。根据式（4）可知，铁耗与谐波频率呈1.3次方关系，因此高次谐波将大大提高电机的铁损。

3.风摩损耗

风摩损耗是转子在高转速下与气隙间空气（水冷电机）或冷却油（油冷）摩擦所产生的损耗，与谐波无关。

4.杂散损耗

杂散损耗是指除以上损耗外的其他损耗，可以分为基频杂散损耗、高频杂散损耗。基频杂散损耗是由于交流电的趋肤效应导致导线利用率变低引起的铜耗增加。高频杂散损耗是指由各种气隙磁场谐波所产生的损耗，因此高频频次谐波会导致电机杂散损耗增加。

3、仿真对比研究

为进一步验证谐波对转矩及电机损耗的影响，基于某款永磁同步电机模型，通过分别输入三相电流有效值相同的理想正弦电流、带谐波电流，谐波含量为控制器实测值约2.8%进行对比，如图2所示。

仿真输入条件：转速6 000 r/min，定转子温度120℃，相电流有效值346 A，仿真步长设置为25μs，分别对电机的输出转矩特性、损耗系数及效率进行对比。

仿真结果如图3所示，带谐波电流输出转矩307.03 Nm与理想电流输出转矩307.36 Nm相差0.11%，扭矩波动量±20 Nm相比理想状态的±3.75 Nm，增大近6倍，差异明显。谐波电流下铁芯损耗增加7.3%，磁钢损耗增加6.26倍。详细数据如表1所示。

图2不同电流波形对比

图3不同电流转矩及损耗对比

表1谐波影响数据对比表

综合以上信息，谐波导致电机输出转矩波动增加，损耗增加，效率下降。

4、测试验证

为进一步确认谐波对电机效率的影响，基于上述扁线油冷永磁同步电机样件开展了台架测试，如图4所示。

控制器一般通过空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM）技术提高电压利用率，使电机能够在高速下具有良好的输出特性。根据研究发现，SVPWM技术的应用也存在着一些缺点和问题，主要体现在逆变器的输出电压电流波形中存在不必要的谐波成分[5]。

图4被测电机实物图

因控制器无法提供理想正弦波，为验证电流谐波对性能的影响，选取两款采用SVPWM的控制器得到不同输入电流波形，如图5所示。

图5不同控制器三相电流波形

对采集到的原始电流波形进行傅里叶分解，提取前30阶谐波，进行相同扭矩请求下谐波畸变率（Total Harmonics Distortion,THD）对比。

图6两款控制器谐波及效率对比

如图6所示，控制器一电流谐波含量整体低于控制器二，对应的其各工况点下的效率均高于控制器二（效率差值为控制器一减去控制器二）。进一步有以下结论：

1）两款控制器谐波含量相差3%，效率偏差0.09%，与仿真数据中2.8%谐波带来的0.11%偏差基本相当；

2）低转速下谐波对效率偏差影响不敏感；

3）在峰值功率9 000转附近，谐波影响最明显；

4）在高速区，谐波对效率影响逐步减小。

基于以上数据，电流谐波的抑制是提高电机效率的可行手段，且在峰值功率附近更明显。电机最高效率位于峰值功率转速附近，因此，谐波的有效控制对于提升电机最高功率有积极作用。

为了降低及消除谐波电流，目前常用的方法包括碳化硅功率器件的应用、死区补偿、开关频率提升等。无论是控制频率的提升还是死区时间的减小都会大大降低电流中的谐波成分。由于高速电机自身电感值小，采用较低的控制频率会有相比普通电机更大的谐波含量，所以在高速电机的控制器设计中采用碳化硅控制器更佳[5]。

通过提高系统输出效率，降低各项损耗，挖掘系统集成的潜力，提升电动汽车用电机驱动系统效率[6]。

5、总结

本文通过理论分析说明了电流谐波对电机效率、输出转矩带来的负面影响，同时结合仿真模型中有无谐波电流下电机的损耗差异，论证了谐波会增加损耗，降低电机效率的观点。最后结合某款驱动电机应用过程中针对电流谐波含量的实际测试结果，进一步明确了谐波含量越高会导致电机效率降低。有效论证了控制输入电流谐波的必要性，以及谐波差异对于电机效率的影响程度。

参考文献:

[1]罗继涛,李育.车用永磁同步电机系统效率提升研究[J].传动技术,2021,35(4):3-7,18.

[2]朱洒,曾峰,陆剑波,等.考虑PWM谐波损耗的车用扁线内嵌式永磁同步电机效率图简化工程计算[J].电工技术学报,2022,37(22):5687-5703.

[3]张岩.基于代理模型的永磁同步电机低次谐波抑制方法研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2018.

[4]陈前,赵美玲,廖继红,等.轻量化高效率永磁电机及其控制技术综述[J].电工技术学报,2023,18(4):3-19.

[5]冯明,侯东易,安嘉强.碳化硅高速电机控制器设计及效能分析[J].电力电子技术,2023,57(7):48-51.

[6]暴杰,许重斌.电动汽车用超高效率电机驱动系统关键技术研究[J].汽车工艺与材料,2023(2):63-71.

文章来源:郑海兵,温华明.基于驱动电机性能的控制器谐波影响研究[J].汽车实用技术,2024,49(17):25-28.