特種電機諧波抑制方法研究

崔紅

【摘 要】高速電機做發電機運行時，在通過功率轉換系統變換為恒頻恒壓交流電的過程中，會產生大量諧波。高速電機做電動機運行時，通常由高頻變頻器驅動，而變頻器產生的諧波電流較大，給高速電動機帶來不良影響。本文針對高速發電機功率轉換系統采用了移相電抗器消除諧波的方法，對高速電動機供電系統采用了LCL濾波器消除諧波的方法。通過對這兩種方法的仿真研究，結果驗證了所采用方法的有效性，為高速電機的廣泛應用提供了理論依據。

【關鍵詞】高速電機；移相電抗器；濾波器；諧波消除

0 引言

目前隨著新材料的發明，設計不同種類的新型特種電機來完成特殊目的便成為了可能，高速電機就是其中的一種。高速電機有體積小、節能、控制性能優良等優點，特別適用于高速機床、鼓風機、水泵等系統中。

高速發電機輸出高頻交流電，通過功率變換裝置，變換為恒頻恒壓的交流電。在功能變換過程中產生的諧波含量較多，會給電網以及用電設備造成嚴重的干擾。而高速電動機通常采用高頻變頻器供電，變頻器的輸出電流中包含高次諧波，影響高速電動機的性能。由于諧波電流會導致高速電機發熱，損耗增加，影響高速電機的使用壽命，因此研究抑制高速發電機功率轉換系統及高速電動機供電系統電流諧波的方法非常重要。

1 高速發電機功率轉換系統消除諧波的方法

通常采用移相電抗器作為輸入端變壓器應用于變流器供電系統的整流環節中[1]。采用移相電抗器的變頻電源結構示意圖如圖1所示。

可以通過采用十二相、十八相或以上的多相整流電路來減小這些高次諧波對電網的影響。采用整流電路的相數越多，則整流電壓越接近于直流電壓。即對大功率電機供電的整流裝置如果采用多相整流電路，則可得到脈動較小的直流電壓。

對三相移相電抗器繞組匝數進行合理的調整以及相間換接，就能夠得到所需要的移相角，能夠同時對不同次數的諧波均起到較好的抑制作用。

本文對采用移相電抗器的十二相整流系統進行了仿真和實驗研究，其中系統的供電電源為相電壓220V的工頻交流電，負載電阻為200Ω，電感為0.05 H，選取的最佳移相角11o和7o。

未采用移相電抗器的三相整流系統輸入端電流的仿真和實驗波形以及采用移相電抗器的十二相整流系統輸入端電流的仿真波形分別如圖2和圖3所示。

從圖2和圖3可見，對高速發電機功率轉換系統采用移相電抗器的多相整流系統有較好的諧波抑制效果，輸入端電流接近于正弦波。

2 高速電動機供電系統電流諧波消除方法

高速電機作為電動機運行時，由于采用通用高頻PWM變頻器，高速電動機供電系統的諧波電流和電壓較大，會給高速電動機帶來不良影響，影響高速電動機的穩定運行[2-3]。

對于普通電動機來說，可以采用LC濾波器對通用PWM變頻器的輸出電流諧波進行抑制。然而，如果電動機轉速特別高，例如轉速為幾萬轉/分鐘，由PWM變頻器產生的諧波頻率與基波頻率接近，所以采用普通的LC濾波器很難抑制諧波[4-5]。

本文采用如圖4所示的LCL濾波器以消除高速電動機供電系統的電流諧波。

LCL濾波器起到往高速電動機供電系統注入補償電流的作用，該補償電流和諧波電流相比大小相等、方向相反，因此可以消除諧波。

本文以被控對象為PN=10kW，UN=220V，nN=12000r/min，fN=200Hz的高速電動機為例，采用LCL濾波器的參數分別為：Lg=0.23 mH，Rg=0.01Ω，L=0.37mH，R=0.03Ω，Rc=0.4Ω，C=35μF時，對高速電動機變頻系統進行了仿真研究。未采用濾波器時以及采用LCL濾波器時高速電動機供電系統電流的仿真波形分別如圖5和圖6所示。

從圖5和圖6可見，采用LCL濾波器對于高速電動機供電系統電流諧波的抑制效果較好，輸入端電流接近于正弦波。

3 結束語

通過對高速發電機功率轉換系統輸入端電流和高速電動機供電系統電流的仿真研究可知：

1）高速電機作發電機運行時，對高速發電機功率轉換系統采用移相電抗器的多相整流系統對諧波有較好的抑制效果，輸入端電流接近于正弦波。

2）高速電機作電動機運行時，在變頻器輸出側采用LCL濾波器，對于高速電動機供電系統是一種效果比較明顯的消除電流諧波的方法。

【參考文獻】

[1]王鳳翔，張濤，白浩然.采用移相電抗器的多相整流系統[J].沈陽工業大學學報，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]鮑海靜，梁培鑫，柴鳳.飛輪儲能用高速永磁同步電機技術綜述[J].微電機， 2014，47（2）：64-72.

[4]李立毅，譚廣軍，劉家曦，寇寶泉.抑制高速電機電流諧波的LC濾波電路設計[J].微電機，2013，46（7）：38-44.

[5]劉春喜，馬偉明，孫馳等.大容量400Hz逆變器輸出LC濾波器設計和低次諧波抑制[J].電工技術學報，2011，26（6）：129-136.

[責任編輯：田吉捷]