高速电动机供电系统谐波抑制方法的研究

崔 红，王凤翔

(1.辽宁省交通高等专科学校，沈阳110122;2.沈阳工业大学，沈阳110870)

0 引 言

高速电动机以其功率密度大、体积小、节能等优点在高性能机械中应用越来越广，如高速磨床、高速离心压缩机等。高速电动机转速可达每分钟数万转甚至数十万转，绕组电流频率较高。由于高频高速的特点及其驱动变频器存在的谐波，由此带来的高速电机供电系统谐波大的问题越来越严重。

高速电动机通常由高频PWM 逆变器驱动。由PWM 逆变器产生的谐波电流和谐波电压将引起高速电机的附加损耗，导致电机转子温升增加、电机效率下降，还会增加电机的振动和噪声［1－2］。受PWM逆变器功率器件开关频率的限制，高频PWM 逆变器与低频PWM 逆变器相比，谐波电流阶次低，幅值大。谐波频率接近于基波的频率，因此抑制高速电动机供电系统的谐波电流比较困难。

本文通过对高速电动机采用PWM 变频器时产生的谐波电流的不同抑制方法比较，研究了两种有效的谐波电流抑制方法即二阶RLC 和三阶LCL 复合滤波器，这两种方法可以在较宽的频带范围内，使高速电动机供电系统的谐波电流显著减小，而基波电流损失很少。

1 采用通用PWM 变频器时谐波抑制的常用方法

高速电动机变频系统的方框图如图1 所示。通过在变频器的整流桥与滤波电容之间的直流侧加直流电抗器可以在一定程度上减小高速电动机供电系统的电流和电压中的谐波成分，改善变频器的功率因数，还可以起到限制逆变侧短路电流的作用。

图1 高速电动机变频系统的方框图

高速电动机供电系统常用的谐波抑制方法是在PWM 变频器的输出侧装设无源滤波器。如采用LC滤波器来抑制电机供电系统的电流谐波［3－4］。

LC 滤波器结构如图2 所示。

图2 变频器输出端LC 滤波器的结构图

对于LC 滤波器的设计首先要考虑滤波器的截止频率。LC 滤波器的截止频率选择如下［5］:

本研究以被控对象为PN=10 kW，UN=220 V，nN=12 000 r/min，fN=200 Hz 的高速永磁电动机为例，在使用台达VFD750B 型号变频器时对图1 的高速电动机变频系统进行了滤波器参数设计，变频器的输出电压Uo=380 V，容量为75 kVA，输出基波频率=200 Hz，载波频率=6 kHz，选取截止频率fL=2 kHz。输出侧选取的滤波器L=0.6 mH，C=10 μF。

采用MATLAB 软件对高速电动机变频系统在未加和加LC 滤波器的情况下分别进行了仿真研究，其中图3 为变频器输出端未加滤波器时的仿真电流波形及电流谐波分析，图4为在变频器输出端加LC 滤波器，电感L=0.6 mH 和电容C=10 μF 时的仿真电流波形及电流谐波分析。

图3 未加滤波器时仿真电流及谐波分析

图4 加LC 滤波器时仿真电流及谐波分析

在上述2 种情况下，在整流器和逆变器之间的直流侧采用两个2 200 μF/450 V 的电容相串联，并在两个电容旁各并联了一个51 kΩ/4 W 的均压电阻。

从图3 可以看出，在变频器输出端未加滤波器时，高速电动机供电系统的电流谐波非常大，总谐波畸变率(THD)为30.79%，基波电流幅值为2.3 A。从图4 可以看出，在变频器输出端加LC 滤波器后，THD为4.33%。

图5、图6 为采用通用变频器，在变频器输出端未加和加LC 滤波器时，高速电动机供电系统的实验电流波形及谐波分析。

图5 未加滤波器时的实验电流波形及谐波分析

图6 加LC 滤波器时的实验电流波形及谐波分析

从实验结果可以看出，采用定值LC 滤波器对于高速电动机供电系统的电流谐波有一定抑制效果。

2 谐波抑制的有效方法——加装RLC 和LCL滤波器

2.1 在变频器的输出侧加装RLC 二阶低通滤波器

由于受变频器的载波频率的限制，对于高频PWM 逆变器来说，滤波器的截止频率与基波相比较低。由于需要的电感和电容值较大，所以滤波器的成本将增加。因此在设计滤波器时要综合考虑总谐波畸变率、基波压降以及滤波器的成本等方面。

图7 变频器输出端RLC 二阶低通滤波器的结构图

变频器输出端RLC 二阶低通滤波器的结构图如图7 所示。对于图7 的RLC 二阶低通滤波器，根据单相等效电路，RLC 滤波器的滤波特性可近似表示:

滤波器元件参数选择除了需要考虑上述衰减的要求，还需考虑下述方面:

(1)截止频率

截止频率选为载波频率的1/10 以下，截止频率还应高于基波频率的十倍以上，要根据要求折中调整。

(2)滤波电感

一般要求电感上的基波压降不应超过3% ～5%。电感值的选择应使谐波电流的有效值不能超过逆变器电流容量的10% ～20%，否则逆变器可能会由于谐波电流过大从而进入保护状态［6］。

(3)滤波电容

选择电容值时要依据如下的两个条件:一是流经电容支路的基波电流有效值在空载时不应超过逆变器电流输出容量的10%。二是电容和电感值还受截止频率的限制。

(4)电阻的选择

电阻的取值应使电容支路的谐振电流限制在允许的范围内，即电容支路的电流不应超过逆变器额定电流的20%。

同样以上述的高速电动机为被控对象，根据上述参数选择的原则选取RLC 滤波器的参数:L =0.6 mH，R=1 Ω，C=35 μF。

加装二阶RLC 滤波器之后高速电动机供电系统的仿真和实验电流波形以及谐波分析分别如图8、图9 所示。

图8 加二阶RLC 滤波器时的仿真电流及谐波分析

图9 加二阶RLC 滤波器时的实验电流及谐波分析

从图8、图9 中可以看出，与前述的滤波方法相比，在变频器输出端加装二阶RLC 滤波器之后，高速电动机供电系统的电流谐波抑制效果更好一些。

2.2 在变频器的输出侧加装LCL 三阶低通滤波器

若要减小高速电动机供电系统的电流谐波，还可以采用在逆变器输出端加装如图10 所示的三阶LCL 滤波器。

图10 变频器输出端LCL 三阶滤波器的结构图

LCL 滤波器的作用是向电机供电系统注入一个与谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，以消除谐波。电机的供电电流Ig可表示:

式中:Xc，Rc分别为容抗和阻尼电阻;Rg，R 为电感的寄生电阻;XLg为变频器侧阻抗。为了使高频电流分量尽量从电容支路流过，以达到较好的滤波效果，在设计中必须保证Xc相对XLg足够小。

图10 中，Rc的作用是提高系统的稳定性，避免系统谐振，但是也会带来线路损耗的问题，选择时应选用无感功率电阻。电感L 的作用是将变频器输出的电压转化为补偿电流，而L 上的电流I 由阻抗XL和XLgC(为电容C 支路和Lg支路的并联阻抗)决定。由于引入了电容和Lg的并联支路，所以串联阻抗增大了，而I 却减小了，但并不会减小过多(因为XLgC的限制)。

为了使电流中的高频分量尽可能从电容C 支路流过，选择滤波器的参数时要使XC≪XLg。这可以通过增加C 的电容量或者增加Lg的电感量来实现。但是增加电容量会使电容支路对基波的阻抗减小，使变频器的输出电流增加。同时还应注意增大电感量也会带来损耗大、成本高、体积大等缺点，因此在参数选择时要综合考虑。

变频器侧电感可以利用归一化方法来设计［7］。归一化方法是指截止频率为1/(2π)Hz，特征阻抗为1 Ω 的低通滤波器为基准。滤波器的电感参数可以通过式(4)估算，再结合前面的分析来确定电容C和电感Lg的参数。

根据上述的滤波器电感的计算方法，截止频率fL选取在2 kHz 处，滤波器的特征阻抗选取为4.6 Ω，可得，L=0.37 mH。

以上述的高速电动机为被控对象，结合滤波器各参数的分析以及参数的变化对谐波抑制效果的影响，通过仿真分析对各参数作适当的调整，即可得到滤波器的优化参数。三阶LCL 滤波器的参数选择:Lg=0.23 mH，Rg=0.01 Ω，L =0.37 mH，R =0.03 Ω，Rc=0.4 Ω，C=35μF 时，高速电动机供电系统的仿真和实验电流波形以及谐波分析分别如图11－图12 所示。

图11 加三阶LCL 滤波器时的仿真电流及谐波分析

图12 加三阶LCL 滤波器时的实验电流及谐波分析

从图11、图12 中可知，与二阶RLC 滤波器相比，在变频器输出侧加装三阶LCL 滤波器后，高速电动机供电系统的谐波电流可以进一步减小，而基波电流削弱得很少。

图13 为上述高速电动机在加不同滤波器时线电压基波压降的实验结果比较图。图14 为上述高速电动机在加不同滤波器时电压谐波抑制的实验结果比较图。

图13 高速电动机加不同滤波器的基波压降比较

图14 高速电动机加不同滤波器的电压谐波抑制比较

图13 和图14 中1 为未加滤波器;2 为加LC 滤波器;3 为加二阶RLC 滤波器;4 为加三阶LCL 滤波器。从图13 和图14 中可以看出，在加二阶RLC 或三阶LCL 滤波器之后谐波抑制效果明显提高。

3 结 语

通过对高速电动机供电系统的仿真和实验研究可知:

(1)在采用通用PWM 变频器时，在不加任何滤波器的情况下，高速电动机供电系统的电流谐波比较大。

(2)在变频器输出侧加LC 滤波器后，抑制高速电动机供电系统谐波的效果比较明显。

(3)在采用通用PWM 变频器时，抑制高速电动机供电系统电流谐波更有效的方法是在变频器的输出端加二阶RLC 或三阶LCL 复合滤波器。可以在较宽的频带范围内，使高速电动机供电系统的电流谐波减小显著。对于PN=10 kW，nN=12 000 r/min的高速电动机，电流总谐波畸变率小于6%，基波电流损失小于1%，而电压总谐波畸变率小于10%，基波电压损失小于2%，都在允许的范围内。

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