特种电机谐波抑制方法研究

【摘 要】高速电机做发电机运行时，在通过功率转换系统变换为恒频恒压交流电的过程中，会产生大量谐波。高速电机做电动机运行时，通常由高频变频器驱动，而变频器产生的谐波电流较大，给高速电动机带来不良影响。本文针对高速发电机功率转换系统采用了移相电抗器消除谐波的方法，对高速电动机供电系统采用了LCL滤波器消除谐波的方法。通过对这两种方法的仿真研究，结果验证了所采用方法的有效性，为高速电机的广泛应用提供了理论依据。

【关键词】高速电机；移相电抗器；滤波器；谐波消除

0 引言

目前随着新材料的发明，设计不同种类的新型特种电机来完成特殊目的便成为了可能，高速电机就是其中的一种。高速电机有体积小、节能、控制性能优良等优点，特别适用于高速机床、鼓风机、水泵等系统中。

高速发电机输出高频交流电，通过功率变换装置，变换为恒频恒压的交流电。在功能变换过程中产生的谐波含量较多，会给电网以及用电设备造成严重的干扰。而高速电动机通常采用高频变频器供电，变频器的输出电流中包含高次谐波，影响高速电动机的性能。由于谐波电流会导致高速电机发热，损耗增加，影响高速电机的使用寿命，因此研究抑制高速发电机功率转换系统及高速电动机供电系统电流谐波的方法非常重要。

1 高速发电机功率转换系统消除谐波的方法

通常采用移相电抗器作为输入端变压器应用于变流器供电系统的整流环节中[1]。采用移相电抗器的变频电源结构示意图如图1所示。

可以通过采用十二相、十八相或以上的多相整流电路来减小这些高次谐波对电网的影响。采用整流电路的相数越多，则整流电压越接近于直流电压。即对大功率电机供电的整流装置如果采用多相整流电路，则可得到脉动较小的直流电压。

对三相移相电抗器绕组匝数进行合理的调整以及相间换接，就能够得到所需要的移相角，能够同时对不同次数的谐波均起到较好的抑制作用。

本文对采用移相电抗器的十二相整流系统进行了仿真和实验研究，其中系统的供电电源为相电压220V的工频交流电，负载电阻为200Ω，电感为0.05 H，选取的最佳移相角11o和7o。

未采用移相电抗器的三相整流系统输入端电流的仿真和实验波形以及采用移相电抗器的十二相整流系统输入端电流的仿真波形分别如图2和图3所示。

从图2和图3可见，对高速发电机功率转换系统采用移相电抗器的多相整流系统有较好的谐波抑制效果，输入端电流接近于正弦波。

2 高速电动机供电系统电流谐波消除方法

高速电机作为电动机运行时，由于采用通用高频PWM变频器，高速电动机供电系统的谐波电流和电压较大，会给高速电动机带来不良影响，影响高速电动机的稳定运行[2-3]。

对于普通电动机来说，可以采用LC滤波器对通用PWM变频器的输出电流谐波进行抑制。然而，如果电动机转速特别高，例如转速为几万转/分钟，由PWM变频器产生的谐波频率与基波频率接近，所以采用普通的LC滤波器很难抑制谐波[4-5]。

本文采用如图4所示的LCL滤波器以消除高速电动机供电系统的电流谐波。

LCL滤波器起到往高速电动机供电系统注入补偿电流的作用，该补偿电流和谐波电流相比大小相等、方向相反，因此可以消除谐波。

本文以被控对象为PN=10kW，UN=220V，nN=12000r/min，fN=200Hz的高速电动机为例，采用LCL滤波器的参数分别为：Lg=0.23 mH，Rg=0.01Ω，L=0.37mH，R=0.03Ω，Rc=0.4Ω，C=35μF时，对高速电动机变频系统进行了仿真研究。未采用滤波器时以及采用LCL滤波器时高速电动机供电系统电流的仿真波形分别如图5和图6所示。

从图5和图6可见，采用LCL滤波器对于高速电动机供电系统电流谐波的抑制效果较好，输入端电流接近于正弦波。

3 结束语

通过对高速发电机功率转换系统输入端电流和高速电动机供电系统电流的仿真研究可知：

1）高速电机作发电机运行时，对高速发电机功率转换系统采用移相电抗器的多相整流系统对谐波有较好的抑制效果，输入端电流接近于正弦波。

2）高速电机作电动机运行时，在变频器输出侧采用LCL滤波器，对于高速电动机供电系统是一种效果比较明显的消除电流谐波的方法。

【参考文献】

[1]王凤翔，张涛，白浩然.采用移相电抗器的多相整流系统[J].沈阳工业大学学报，2008，30（4）：361-365，393.

[2]O.Aglen，A.Anderson.Thermal analysis of a high-speed generator[C].Proc.of IEEE-IAS Annual Meeting，2003：547-554.

[3]U海静，梁培鑫，柴凤.飞轮储能用高速永磁同步电机技术综述[J].微电机， 2014，47（2）：64-72.

[4]李立毅，谭广军，刘家曦，寇宝泉.抑制高速电机电流谐波的LC滤波电路设计[J].微电机，2013，46（7）：38-44.

[5]刘春喜，马伟明，孙驰等.大容量400Hz逆变器输出LC滤波器设计和低次谐波抑制[J].电工技术学报，2011，26（6）：129-136.