抑制高速电机电流谐波的LC滤波电路设计

小电感绕组电机有利于提高定子电流的动态响应速度，然而此特性对电机控制系统还会带来诸多不利影响，诸如产生较高的电流总谐波畸变率(THD)，增加绕组铜损和铁芯损耗，同时还会产生较大的转矩脉动和噪声。本文采取了三相LC滤波电路的方法来减小高速小电感永磁同步电机的定子电流谐波。首先，建立了采用LC滤波电路的永磁同步电机的数学模型。其次，通过对采用LC滤波电路的永磁同步电机系统幅频特性进行分析，给出了用于减小定子电流谐波的￡c滤波电路参数的设计原则。同时又分别从三相PWM逆变器所允许输出的最大电流和最大电压的方面考虑，给出了c滤波参数的取值范围。最后，本文分别给出了仿真和实物实验的结果，验证了本文所提出方法的有效性。

由高速永磁同步电机(PMSM)的结构特点和运行状态要求可知，高速永磁同步电机的定子电感很小，通常低于0．5mH。从有利的一方面来说，小电感特性利于提高定子电流的动态响应速度，然而此特性对电机控制系统还会带来诸多不利影响。若采用开关频率为数千赫兹的三相电压源PWM逆变器直接对此类型电机进行驱动时，由于电机定子电感很小，因此难以实现对绕组电流的有效调节，这将导致绕组电流发生畸变，电流中含有很大的谐波成分，从而会增加绕组铜损和铁心损耗，同时还会产生较大的转矩脉动和噪声。

为了减小定子电流中的谐波成分，进而实现较好的小电感电机控制性能，一些文献提出了几种改善小电感电机定子电流波形的方法。最简单的方法是在三相定子绕组中串联三个相同的电感，使得定子等效电感值变大，从而可以减小电流谐波J。然而在绕组中串联电感会使得系统的体积、重量和成本成倍地增加，降低绕组电流的动态响应速度，同时还需要供电电源额外为其提供较高的电压。另外一种较直观的方法是通过提高PWM逆变器的开关频率，以实现对定子电流快速调节的目的1-3,8]。

然而开关管的开关频率不能无限制地增加，它还受到系统功率的限制。提高开关频率还会增加系统的开关损耗，恶化系统性能。提高开关频率的方法还可以和串联电感的方法同时使用，以获得更好的控制性能。文献[2]提出了在电机三相定子绕组和PWM逆变器之间引入三相LC滤波电路的方法用来减小绕组电流谐波，相比较于串联电感的方法，引人LC滤波电路能够减小系统的体积、重量和成本。文献[1，9—12]提出了通过调节直流母线电压来改善无刷直流电机绕组电流波形的方法，此方法在PWM逆变器的前端接入一个PWM直流变换电路用来调节输出直流母线电压。PWM直流变换电路既可选为能量只单向流动的Buck型降压斩波电路’“，也可选为能量可双向流动的半桥直流斩波电路_1。

文献[8，l3一l5]提出了多电平逆变电路的方法，其主要目的是通过细分输出电压，使其输出更多电平，从而获得更接近于正弦波或方波的输出电压和负载电流波形。电流源逆变电路(CSI)也可用来驱动小电感电机，由于电流源逆变电路直接输出的是电流，因此多用于驱动无刷直流电机’，也有少量研究应用于正弦波永磁同步电机。为了简化电流源逆变电路的拓扑结构，文献[16]提出了准电流源逆变电路的拓扑结构。

本文提出了基于三相LC滤波电路的方法来改善高速小电感电机的定子电流波形。首先，建立了采用LC滤波电路的永磁同步电机数学模型。其次，提出了基于三相LC滤波电路的定子电流谐波抑制方法，通过对采用LC滤波电路的PMSM系统幅频特性进行分析，给出了LC滤波电路参数设计所需遵循的原则，同时又分别从三相PWM逆变器所允许输出的最大电流和最大电压的方面考虑，给出了LC滤波参数的取值范围。最后，本文分别给出了仿真和实物实验，并验证了本文所设计的LC滤波电路的有效性。

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