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由于電力電子功率器件開關(guān)損耗的限制，大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)變換器載波比通常較低，嚴(yán)重的定子電流與磁鏈諧波造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及轉(zhuǎn)矩精度惡化。近年來(lái)，隨著電機(jī)在伺服系統(tǒng)等高端大型裝置中的應(yīng)用，如何提高大功率電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩性能成為迫切需要解決的問(wèn)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(dòng)，但仍受制于載波比約束，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制效果有限。寬禁帶器件應(yīng)用、多電平技術(shù)等通過(guò)提升驅(qū)動(dòng)器載波比或等效開關(guān)頻率等方法抑制諧波，但成本、系統(tǒng)復(fù)雜度等問(wèn)題限制了此類方案的推廣應(yīng)用。

從電勵(lì)磁同步電機(jī)、雙饋發(fā)電機(jī)等多繞組電機(jī)應(yīng)用表明，結(jié)合新型電力電子變換技術(shù)將顯著提升電機(jī)性能。電勵(lì)磁與混合勵(lì)磁同步電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁，使電機(jī)在高速工況下具有更好的弱磁能力。而雙饋發(fā)電機(jī)通過(guò)控制轉(zhuǎn)子繞組交流勵(lì)磁電流相位調(diào)整機(jī)組功率角，使其有功和無(wú)功功率獨(dú)立可調(diào)，在電網(wǎng)電壓跌落等情況下相比單繞組電機(jī)具有更好的穩(wěn)定性。上述結(jié)構(gòu)表明，通過(guò)電力電子技術(shù)控制多繞組磁鏈組合是提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的新途徑。

結(jié)合雙繞組電機(jī)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(bǔ)償?shù)脑恚憬髮W(xué)電氣工程學(xué)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(dòng)系統(tǒng)。利用向從繞組中注入高頻諧波電流形成高頻補(bǔ)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(dòng)，具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、效率高、動(dòng)態(tài)優(yōu)越等優(yōu)勢(shì)。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

研究人員闡述了電機(jī)中主從繞組的磁鏈組合與轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償原理，并給出主從繞組的設(shè)計(jì)指標(biāo)；其次，針對(duì)從繞組側(cè)高頻諧波電流注入方式、控制策略等問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析。

損耗分析表明，在輸出轉(zhuǎn)矩指標(biāo)接近的情況下，本驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制策略的有效性。研究成果對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)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(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“主從繞組電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制策略研究”，作者為梁梓鵬、胡斯登 等。