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由于電力電子功率器件開關損耗的限制，大功率電機驅(qū)動變換器載波比通常較低，嚴重的定子電流與磁鏈諧波造成轉(zhuǎn)矩脈動以及轉(zhuǎn)矩精度惡化。近年來，隨著電機在伺服系統(tǒng)等高端大型裝置中的應用，如何提高大功率電機的輸出轉(zhuǎn)矩性能成為迫切需要解決的問題。

特定諧波消除等脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）優(yōu)化方法盡管抑制了部分轉(zhuǎn)矩脈動，但仍受制于載波比約束，轉(zhuǎn)矩脈動抑制效果有限。寬禁帶器件應用、多電平技術等通過提升驅(qū)動器載波比或等效開關頻率等方法抑制諧波，但成本、系統(tǒng)復雜度等問題限制了此類方案的推廣應用。

從電勵磁同步電機、雙饋發(fā)電機等多繞組電機應用表明，結(jié)合新型電力電子變換技術將顯著提升電機性能。電勵磁與混合勵磁同步電機通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子直流勵磁，使電機在高速工況下具有更好的弱磁能力。而雙饋發(fā)電機通過控制轉(zhuǎn)子繞組交流勵磁電流相位調(diào)整機組功率角，使其有功和無功功率獨立可調(diào)，在電網(wǎng)電壓跌落等情況下相比單繞組電機具有更好的穩(wěn)定性。上述結(jié)構(gòu)表明，通過電力電子技術控制多繞組磁鏈組合是提升電機驅(qū)動性能的新途徑。

結(jié)合雙繞組電機多自由度特性，參考有源濾波系統(tǒng)高頻電流發(fā)生與諧波補償?shù)脑?，浙江大學電氣工程學院的研究人員構(gòu)建了一種包含主功率繞組與輔助功率繞組的主從繞組結(jié)構(gòu)電力電子驅(qū)動系統(tǒng)。利用向從繞組中注入高頻諧波電流形成高頻補償磁鏈與低載波比工況下的主繞組側(cè)低頻磁鏈線性組合，重新形成新的圓形組合磁鏈，從而抑制轉(zhuǎn)矩脈動，具有轉(zhuǎn)矩脈動小、效率高、動態(tài)優(yōu)越等優(yōu)勢。

圖1 實驗平臺

研究人員闡述了電機中主從繞組的磁鏈組合與轉(zhuǎn)矩補償原理，并給出主從繞組的設計指標；其次，針對從繞組側(cè)高頻諧波電流注入方式、控制策略等問題進行詳細分析。

損耗分析表明，在輸出轉(zhuǎn)矩指標接近的情況下，本驅(qū)動系統(tǒng)相比高載波比三相系統(tǒng)可大幅降低變換器損耗。仿真與實驗驗證了本驅(qū)動系統(tǒng)及控制策略的有效性。研究成果對電機驅(qū)動系統(tǒng)的集成化設計及變頻系統(tǒng)的諧波抑制研究均有重要參考作用。

本文編自2021年第24期《電工技術學報》，論文標題為“主從繞組電機驅(qū)動系統(tǒng)及控制策略研究”，作者為梁梓鵬、胡斯登 等。