黄阳斌
广东力源工程技术有限公司，广东东莞，523000
摘要：随着新型工业对电机的功率密度、调速性能越来越高的要求及半导体控制器件的快速发展，多相电机的优势得到越来越广泛的关注。同时，磁动势的分布受注入电流谐波次数的影响，与转子磁场转速不同步的磁动势谐波成分会在电机这产生转矩脉动。因此，提高电机的绕组因数、减少非同步转速谐波磁动势含量，对性能的提升具有重要意义。基于此，本文章对工业厂房变频电机谐波分析与补偿治理措施进行探讨，以供相关从业人员参考。
关键词：工业厂房变频电机谐波分析与补偿治理措施
引言
现如今，变频电机驱动系统具有结构简单、运行稳定、成本低等优点，被广泛应用于工业厂房中。但由于死区效应，以及逆变器非线性特性的存在，导致定子电流谐波成分变大，而谐波电流会引起转矩脉动，使电力驱动系统中产生电磁噪声，进而影响使用性能。
1工业厂房变频电机谐波产生的基本原理
变频器用于工业生产中的变速传动系统。变频器主要由：1、整流器，2、中间电路，3、逆变器，4、主电路，5、控制电路组成。电源可分为脉冲频率和内部频率。变频器切换电路特性，使典型的离散系统负载出现在开关电压上，即电源产生典型的非线性负载，该负载与应用的电压没有线性关系，但通过正弦波的电流产生了较高的谐波。变频器运行时，变频器的输入电流随附加电压变化，不再是固定值。因此，网络输入的电流不是正弦电流，无论是单相适配器还是三相适配器，其电压波形失真，因此包含谐波。
2、变频器对电机的影响
2.1 电动机的效率和温升的问题
任何变频器在运行时都会产生不同强度的高次谐波电流和电压。 此时，电机为非正弦波电压，电机有一些损失。 产生的谐波电流会增加电动机的铜耗、铁耗等能耗，其中最大的是转子的铜耗。 这些损失都会促进电动机发热，降低电动机的使用效率和电力。
2.2 电动机绝缘强度问题
在目前的变频器中，中小型变频器的载波频率可以达到几千到几万赫兹，电动机定子绕组上的电压非常高，电动机也有很大的电压冲击，对电动机的绝缘结构有更高的要求。 另外，目前使用的变频器形成的矩形波斩波电压与电机自身的电压重叠，给电机的绝缘结构带来很大的压力，加速了绝缘部件的劣化。
2.3 谐波电磁噪声与振动
变频电机由于电磁、机械、散热等因素，运行时产生的振动和噪音的强度会更强。 逆变电源的各种高次谐波之间相互协商，频率一致或基本接近时，会发生共振现象，噪声也会变大。 由于电动机的运转速度变化范围比较大，电磁力波和电动机的振动频率难以分离，噪音和振动引起的声音不可避免。
2.4 电动机对频繁启动、制动的适应能力
使用变频电机供电后，电机可以以较低的频率和电压启动，不产生冲击电流或冲击电流较小。 另外，变频器有多种制动方式，可以帮助电动机迅速制动，是实现电动机频繁启动和制动的前提条件。 的机械部分和电磁部分的共同作用，也会对电动机的绝缘结构施加更大的压力。
2.5 低转速时的冷却问题
电动机的阻抗效应不理想，在转速低时，电源产生的高次谐波对铜的消耗较大。 另外，电机在低速旋转的状态下，冷却风量与转速不成比例，因此电机在低速下冷却效果不好，相反，温度上升，转矩难以产生。
3工业厂房变频电机谐波治理的方法
1）在变频器输出端追加电抗器。 输出端的电抗器可以将变频器输出的电流高次谐波和电压高次谐波抑制在一定范围内。 但是，该方法如果电抗器的电感大，则会影响系统的稳定性。 2)在变频器的输出端和电机之间加入LC滤波器。 LC滤波器结构简单，易于应用。 但是，引入LC滤波器后，系统容易共振，输出高次谐波变大。 另外，LC滤波器只对固定频率的高次谐波有补偿作用，无法期待效果。 文献[15][这个是引用还是什么？是不是多的？]以RLC滤波器的高低频等效电路为前提，在逆变器的输出端加入RLC正弦波滤波器，改善PWM波形，从而使逆变器的输出波形更接近正弦，同时降低了输出电压的畸变率。 但是，如果电机的运转条件发生变化，该滤波器会变为非最佳状态或无法工作，因此有限制。 3)有源电力滤波器( APF )。 有源电力滤波器可以对变化的谐波进行快速跟踪补偿，主要应用于消除电网的谐波。详细分析了目前的有源电力滤波技术，提出了串联混合型有源电力滤波器的拓扑结构。 使用复用技术控制变频器，重量越多输出波形越接近正弦波。 4)特定高次谐波去除脉宽调制方式。 该对策通过去除指定次数的高次谐波，改善变频器的输出性能。 通过控制逆变器输出的三次谐波和脉动电压，重构调制方式中的傅立叶方程，可以实现谐波的优化，抑制中点电压的波动。 提出了通过动态变换特定高次谐波去除脉冲宽度调制方式来优化开关状态的改良型特定高次谐波去除脉冲宽度调制方式。 该优化的控制方式不仅可以使逆变器中点电压保持自平衡，还可以降低逆变器输出共模电压的振幅，分析死区消除特定高次谐波的脉宽调制波的影响，提出了带死区补偿的特定高次谐波的脉宽调制对策，其对策是 但是[是 但是？]，特定高次谐波去除脉宽调制方式也有缺点，该方式需要求解超越方程式，计算变频器的开关角。 这种方式的求解过程非常复杂，很难实现实时计算。 5)电流高次谐波最小PWM调制方式。 该控制策略以总电流谐波为目标函数，求出使目标函数最小的一系列开关角。 推导了逆变器输出电流谐波最小的约束条件，得到了逆变器输出性能的最优控制方案。 提出了优化定子磁链轨迹的特定谐波消除脉宽调制策略，该方法使不同调制模式之间的切换方法更简单、更容易实现。 详细比较了电流谐波最小PWM控制策略和特定谐波消除脉宽调制策略两种控制方式下的电流谐波和转矩脉动，实现了多模调制策略在FPGA中的应用。 提出了PAM、PWM、PAM/PWM三种控制方式。 但是，电流谐波最小PWM控制策略的目标函数求解过程非常复杂，难以实现控制。 6)异步调制和同步调制。 在调制频率高的情况下，如果采用异步调制方式，则会产生波形的不对称性，高次谐波含量变高，波形的失真变得严重。 因此，异步调制方式不适合高速电机的调速控制。 在同步调制方式中，大多使用SVPWM同步调制方式。 提出了一种适用于低开关频率下交流电机矢量型控制系统的SVPWM同步调制策略脉冲产生比较值计算、采样扇区分割以及基本矢量作用时间的求解方法。 在维持逆变器输出波形对称性的基础上，导出不对称的“零状态转化”策略，该策略可以补充传统的SVPWM同步调制策略，降低逆变器输出电流的谐波含量。
4、谐波补偿治理效果
主要采用接入电抗器实现谐波抑制的目的。通过在电源与变频器输入侧之间串联交流电抗器实现整流阻抗的增大，从而抑制高次谐波电流，使三相电源的不平衡问题得到改善。进线电流在接入电抗器后，注入电网的谐波电流减少，谐波产生量得到降低，可至不加电抗器谐波电流的 1/2 左右，且波形畸变约降低至30% ～ 50%。在直流中间环节母线中的端子 +、- 之间串联直流电抗器，并同时使用交流电抗器，输入电流谐波数量减小，同时可使输入电源功率因数提高到 0.95。根据以上情况分析，接入电抗器是本项目进行变频电机谐波补偿治理最可靠、经济的设计方案（变压器侧进出线柜补偿方式如图 1 所示）。
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参考文献
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