特種電機(jī)諧波抑制方法研究

崔紅

【摘 要】高速電機(jī)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在通過功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)變換為恒頻恒壓交流電的過程中，會(huì)產(chǎn)生大量諧波。高速電機(jī)做電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，通常由高頻變頻器驅(qū)動(dòng)，而變頻器產(chǎn)生的諧波電流較大，給高速電動(dòng)機(jī)帶來不良影響。本文針對(duì)高速發(fā)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用了移相電抗器消除諧波的方法，對(duì)高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)采用了LCL濾波器消除諧波的方法。通過對(duì)這兩種方法的仿真研究，結(jié)果驗(yàn)證了所采用方法的有效性，為高速電機(jī)的廣泛應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】高速電機(jī)；移相電抗器；濾波器；諧波消除

0 引言

目前隨著新材料的發(fā)明，設(shè)計(jì)不同種類的新型特種電機(jī)來完成特殊目的便成為了可能，高速電機(jī)就是其中的一種。高速電機(jī)有體積小、節(jié)能、控制性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高速機(jī)床、鼓風(fēng)機(jī)、水泵等系統(tǒng)中。

高速發(fā)電機(jī)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(chǎn)生的諧波含量較多，會(huì)給電網(wǎng)以及用電設(shè)備造成嚴(yán)重的干擾。而高速電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的性能。由于諧波電流會(huì)導(dǎo)致高速電機(jī)發(fā)熱，損耗增加，影響高速電機(jī)的使用壽命，因此研究抑制高速發(fā)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)電流諧波的方法非常重要。

1 高速發(fā)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(yīng)用于變流器供電系統(tǒng)的整流環(huán)節(jié)中[1]。采用移相電抗器的變頻電源結(jié)構(gòu)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(duì)電網(wǎng)的影響。采用整流電路的相數(shù)越多，則整流電壓越接近于直流電壓。即對(duì)大功率電機(jī)供電的整流裝置如果采用多相整流電路，則可得到脈動(dòng)較小的直流電壓。

對(duì)三相移相電抗器繞組匝數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)整以及相間換接，就能夠得到所需要的移相角，能夠同時(shí)對(duì)不同次數(shù)的諧波均起到較好的抑制作用。

本文對(duì)采用移相電抗器的十二相整流系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，其中系統(tǒng)的供電電源為相電壓220V的工頻交流電，負(fù)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(tǒng)輸入端電流的仿真和實(shí)驗(yàn)波形以及采用移相電抗器的十二相整流系統(tǒng)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(duì)高速發(fā)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用移相電抗器的多相整流系統(tǒng)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(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)電流諧波消除方法

高速電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于采用通用高頻PWM變頻器，高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的諧波電流和電壓較大，會(huì)給高速電動(dòng)機(jī)帶來不良影響，影響高速電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行[2-3]。

對(duì)于普通電動(dòng)機(jī)來說，可以采用LC濾波器對(duì)通用PWM變頻器的輸出電流諧波進(jìn)行抑制。然而，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特別高，例如轉(zhuǎn)速為幾萬轉(zhuǎn)/分鐘，由PWM變頻器產(chǎn)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(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的電流諧波。

LCL濾波器起到往高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)注入補(bǔ)償電流的作用，該補(bǔ)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(duì)象為PN=10kW，UN=220V，nN=12000r/min，fN=200Hz的高速電動(dòng)機(jī)為例，采用LCL濾波器的參數(shù)分別為：Lg=0.23 mH，Rg=0.01Ω，L=0.37mH，R=0.03Ω，Rc=0.4Ω，C=35μF時(shí)，對(duì)高速電動(dòng)機(jī)變頻系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。未采用濾波器時(shí)以及采用LCL濾波器時(shí)高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)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(duì)于高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)電流諧波的抑制效果較好，輸入端電流接近于正弦波。

3 結(jié)束語

通過對(duì)高速發(fā)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸入端電流和高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)電流的仿真研究可知：

1）高速電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，對(duì)高速發(fā)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用移相電抗器的多相整流系統(tǒng)對(duì)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(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，在變頻器輸出側(cè)采用LCL濾波器，對(duì)于高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)是一種效果比較明顯的消除電流諧波的方法。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]