永磁同步电机的振动控制研究

永磁同步电机的振动控制研究

宋洁 黄阿珉

天津松正智能装备有限责任公司 天津市 300308

摘要：随着科学技术的发展，永磁同步电机出现，其具有经济效益好、无噪声、容易控制的优势，被广泛应用在各个领域，并且取得了显著成效。永磁同步电机在运行过程中会产生较大噪声，因此要进行控制，改善实际效果。本文对加强振动噪声控制策略的研究，了解振动噪声产生原因，并采取行之有效的措施，保证系统稳定、高效地运行。

关键词：永磁同步电机；振动控制；研究

1、永磁同步电机概述

   永磁同步电机的工作原理是能量之间转化，满足人们对电能的需求，而励磁电流是永磁同步电机运行的动力来源。一是直流发电机供电的励磁方式，从本质上来看，借助滑环生成直流电流，比较简单。二是交流励磁机供电的励磁方式，主要发挥交流励磁的作用，确保电流供应的连续性、稳定性，操作比较简单，具有较强的适用性。三是无励磁的励磁方式，在励磁电流的基础上进行整流才能获得电能，一旦出现问题，电流互感器就会产生励磁电流，解决了变压器输出不足的问题，保证系统正常运行。永磁同步电机是由永磁体产生同步旋转磁场的同步电机，永磁体是转子产生的来源，三相定子绕组会受到旋转磁场的影响，进而发生电枢反应，感应三相对称电流。永磁同步电机在发展中不断完善，功能更加强大，可以满足实际需求。随着科学技术的发展，永磁同步电机逐渐完善，有着广阔市场空间。

2、永磁同步电机的特点

   永磁同步电机可以将电机整体安装在轮轴上，形成整体直驱系统，一个轮轴就是一个驱动单元，不需要用齿轮箱。永磁同步电机具有功率高、效率高的特点；永磁同步电机产生热量比较少，电机冷却系统在运行时不会产生较大噪声；系统结构是全封闭的，构建出一个整体，出现故障的概率非常小，所以基本不用维护，减少了人员工作量；永磁同步电机可以承载较大的电流，稳定可靠；整个传动系统质量轻，簧下重量较轻，在单位质量内，功率较大；在没有齿轮箱的情况下，转向架系统设计是很灵活的，如柔式转向架、单轴转向架，可以有效提升列车性能。自动调节励磁的核心是电压，通过调节电压来实现有效控制。为了进一步了解情况，人们要对电压下降展开有效分析，找到其中存在的原因。如果是无功负荷电流造成的，在励磁电流不变时，端电压和无功电流之间存在一种联系。为了确保供电的稳定性，发电机的端电压要保持不变，具体操作方法是随无功电流的变化，调节发电机的励磁电流。

3、永磁同步电机的机理

   3.1死亡区域引起的谐波

   死亡时间是一个特殊时期，当谐波引入时，逆变器上的桥臂要和电机连接起来，器件运行所需时间会增加。当开关处于运行状态时，功率管会被损坏，为了解决问题，人们要有效运用功率管互补信号，引入电流。为了正确认识互补开关和电压的关系，人们要采用有效方法，对死亡区域进行分析，计算等效电压高度，深入了解调制周期和载波比。死区会产生很大的影响，最明显的就是基波电压幅值出现波动，将电波引入死区，可以实现有效补偿，让永磁同步电机的转矩脉动大大减少。人们可以通过分析电流互感器获得的两相电流幅值，了解转子的位置信息。同时，要认真查表，进一步明确电压矢量（会产生畸变电压幅值）和补偿量，最大程度减少死区电流产生的影响。人们要进行全面分析，深刻了解死亡区域引起的谐波，掌握永磁同步电机运行状况，更好地控制，提升运行效率。

   3.2谐波抑制

   对电流进行采样时，人们要意识到相电流的直流偏置量、三相电流传感器的重要性，有效掌握互感器采样幅值，保证数据信息的准确性、全面性，依据直流偏置来对电流波动进行有效分析，全面了解具体情况。永磁同步电机运行期间要进行坐标变换，其间受电流幅值误差的影响，转矩波动会变大，要做好减噪设计，同时做好电流环反馈检测工作，发挥偏差补偿消除法的作用，明确直流偏置，根据数字滤波器针来抑制谐波的干扰。永磁同步电机的硬件系统主要包括旋变通道单元、电源变换单元、过流保护单元、隔离驱动单元等。电流转换单元是控制系统的主体部分，人们要科学分析不同等级电压，明确电机轴的准确位置，标注相电流坐标信息，有效运用电流采样单元，避免堵转事故发生，提高电流反应速度。

4、永磁同步电机振动噪声的控制策略

噪声一直是永磁同步电机运行中的重要问题，这和转矩脉动有很大的关系，需要进行有效控制。电机的电磁振动噪声，按照频率可以分为低频及中高频振动噪声。低频电磁振动噪声主要由基波电流以及低频谐波电流所产生，低频谐波电流按照来源可分为电机反电动势所产生和控制器的开关器件所产生，反电动势所产生的低频谐波电流。中高频的电磁振动噪声主要由PWM开关频率附近的谐波电流所产生，也即控制对低频及中高频谐波电流都有影响。

抑制电磁振动噪声可以从两个方面着手，一方面是通过减振结构设计达到减振降噪的效果，另一方面是通过削弱激励源——电磁力，而削弱电磁激励力最有效的方法就是减少谐波电流。反电动势产生的谐波电流，通过磁场正弦化可以削弱，主要采用的控制方法如正弦波与方波控制、随机频率调制控制、理想正弦电压控制的方法对谐波电流和振动噪声进行优化，以及一些新的控制方法如随机PI输出、多IGBT模块并联控制、SiC高SVPWM频率控制技术等对谐波电流和振动噪声的抑制效果。

目前随机频率调制是一种能够有效分散PWM附近高频谐波电流的方法，但是随机频率调制对低频段谐波电流，以及对整体电流频谱的影响鲜有研究，随机频率调制在水下的噪声特征也并不明确。

永磁同步电机的控制系统正常运转时，如果定子电流中的谐波发生反应，就会产生更多谐波，一直处于不断增加之中。运行期间会产生噪声，当电机固有频率和电磁力波比较接近时，噪声会变大，在情况严重时，永磁同步电机就无法正常运行。纯正弦电流控制是比较理想的低噪声控制方法，但是其比较难以实现，采用理想正弦电压源驱动电机，相对比较容易，且对于认识电机低频、高频电磁振动噪声有重要的帮助，其所能够达到的减振降噪效果，对于低噪声系统配置有重要参考价值。

5、基于SiC的高SVPWM频率控制技术

功率器件是通过其高速的开关动作实现高低压变换、交直流转换和交交变频等电能不同形式的转换。新型SiC半导体器件具有通态电阻小、开关速度快和阻断电压高等优势，有助于提高电机驱动器性能。由于实际功率器件并非理想开关器件，开通关断需要一定的时间，不能完全复现理想的PWM控制波形。所以在电机驱动器中，由于开关器件的非理想特性，桥臂电路通常会设置死区时间以防止桥臂直通，死区的存在会导致系统的性能下降。

SiC半导体的高开关速度不仅能够减小电压电流交叠产生的损耗而且能够压缩死区时间。减小死区能够减轻死区效应对电机驱动器带来的影响，提高电机性能。

SiC在降低功率损耗的同时，可以大幅度地提高开关频率，驱动器引起的振动集中在开关频率的倍频处，开关频率的提高不仅降低了电流注入的谐波次数，而且使得电机的振动量级后移，大范围降低振动量级。

结语：噪声和振动会影响永磁同步电机的运行效果，进而导致其产生更多问题，所以进行控制是非常必要的。人们要加强对永磁同步电机噪声系统设计的研究，掌握工作原理，实现有效控制，取得良好效果。采用有效措施优化后，人们要开展振动测试，确保达到性能指标，发挥出更大作用，满足生产活动对电力的需求。

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