基于三电平逆变器与LC滤波器的永磁同步电机系统研究

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永磁同步电机因其拥有高效率、高功率密度、高可靠性等优点而被广泛应用于各行各业,诸多应用均对永磁同步电机的低谐波运行、高性能控制提出了迫切的需求。然而,由于气隙磁场畸变以及逆变器的非线性特性等因素,永磁同步电机的定子电流中含有大量谐波。这些谐波的存在使得电机出现转矩脉动、效率下降、电磁干扰等一系列问题。为此,本文从采用三电平逆变器和加入LC滤波器这两方面出发,对永磁同步电机的电流谐波抑制进行了研究:首先对永磁同步电机的矢量控制系统进行了分析,推导了永磁同步电机在dq旋转坐标系下数学模型及等效电路。在此基础上,建立了永磁同步电机的转速电流双闭环控制系统,设计PI控制器参数,为接下来的研究提供了参考思路。其次,介绍了T型三电平逆变器的工作原理,研究了三电平SVPWM的实现方法及其谐波特征。建立了相应的仿真模型,用仿真结果定量分析三电平逆变器抑制电机电流谐波的效果,这也为LC滤波器的参数设计提供了理论依据与分析方法。为进一步抑制永磁同步电机的电流谐波,研究了加入LC滤波器的永磁同步电机系统,建立了相应的数学模型和等效电路。根据三电平逆变器的电流谐波特征设计了LC滤波器;同时为了抑制其引入的谐振,提出了一种基于电容电流反馈的有源阻尼方法,在此基础上设计了闭环控制系统。通过仿真验证了LC滤波器对电流谐波的抑制效果,以及分析设计的正确性。最后,建立了带LC滤波器的永磁同步电机实验台架。在此台架完成了永磁同步电机的闭环控制以及电流谐波抑制实验,证明了上述设计方法的可行性。
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