變頻器供電永磁直線同步電動機諧波特性分析及計算

郭欣欣，陳亞輝，陳曉輝

(1.安徽工程大學，安徽蕪湖 241000;2.鶴壁供電公司，河南鶴壁 458000)

0 引 言

變頻器供電的電動機廣泛應用于調速控制的工業網中。變頻器輸出波形中的諧波使電機內部的磁場發生畸變，導致了繞組的諧波損耗增加，從而使電機的效率與正弦波供電時相比有所下降。從檢索到的文獻來看，許多學者對非正弦電源對異步電機的影響進行了深入分析［1－2］。

永磁直線同步電動機及其伺服系統具有廣闊的發展前景，其應用也廣泛遍布于國民經濟的各個領域。絕大多數永磁直線同步電動機都采用變頻器進行調頻調速，變頻器由于采用大功率開關器件的原因，其輸出電源中含有大量諧波，含有諧波的非正弦電源使電網電能質量下降，給電機也帶來了不良影響，如在低頻下會產生諸如推力波動、噪聲、振蕩甚至失步等［3－9］。隨著永磁直線同步電動機應用的推廣，變頻器諧波對電機及整個供電系統的影響都不容忽視。直線電動機作為一種新的電機，很多理論尚待完善，關于變頻器非正弦電源對直線電動機的影響更是較少涉及。針對這種情況，本文對變頻器供電永磁直線同步電動機由于諧波而產生的效率、損耗等進行了實例計算，并給出了降低變頻器輸出諧波的方案，仿真結果表明方案的可行性。

1 變頻器諧波對電機性能的影響

變頻器輸出諧波含量不僅與變頻器本身的類型、控制方式等有關，跟所供電電機的繞組聯接方式及電機的運行方式因素也有關。

為了消除次數較低的諧波，正弦波脈寬調制型變頻器(SPWM)普遍應用于現代交流調速系統。本文以通用的正弦脈寬調制、主電路采用電壓型的變頻器為例對樣機進行分析計算。

1.1 初級繞組的時間及空間磁勢

繞組中通以電流，就會產生磁動勢，磁動勢問題是電機能量轉換的關鍵問題。為了研究電源諧波對電機造成的影響，我們假設電機模型為理想情況，即不考慮繞組分布和齒槽效應的影響。計及空間與時間因素的電樞反應磁勢:

圖1為實驗用永磁直線同步電動機諧波狀態下電樞反應磁動勢波形圖，圖2為正弦波狀態下電樞反應磁動勢波形圖。

圖1 諧波電樞反應磁動勢分布圖

圖2 正弦電樞反應磁動勢分布圖

分析表明，k=6n+1次諧波電流所形成的時間諧波磁勢以k倍于基波同步速的速度正向運行;k=6n+5次諧波電流所形成的時間諧波磁勢，則以k倍于基波同步速的速度反向運行。即可以得到各次諧波電流所產生的各次空間諧波磁勢的運行方向與速度，如表1所示，表中的數字代表磁勢波的速度，“+”、“－”號代表磁勢波的運動方向。

表1 時間與空間磁勢波的運行方向與速度

1.2 諧波電流有效值計算

主電路采用電壓型SPWM變頻器，其輸出電壓中所含諧波量取決于脈寬調制方式。下面定量來計算電機電流中的諧波分量，該電機采用星形連接且無中線。假定變頻器調制比M=0.8，載波比N=21。電機定子電流中3及其整數倍數次諧波幅值為零。

非正弦供電時，電樞包括諧波在內的總的電流:

諧波電流總有效值:

由式(1)、式(2)，諧波次數k取到200，可得:

即諧波電流有效值為正弦基波電流有效值的30.7%。也就是說，電機由變頻器供電，其正常工作電流有效值與傳統正弦波電壓源供電相比增加了30.7%左右。換句話說，占市場份額比較大的SPWM電壓型變頻器在載波比較小時，其輸出的諧波成分還是很可觀的。

2 永磁直線同步電動機效率計算

變頻器的輸出電壓中包含豐富的諧波成分，我們以直線電動機的效率指標為例，分析諧波對電機的影響。具體計算如下:一臺額定功率為7 kW的永磁直線同步電動機［2，3，7］，傳統正弦波電源供電，由于頻率受空間的限制，為了方便實驗，選實驗頻率為2 Hz，傳統正弦波電源供電，最大推力F1xmax為23140 N時，有最大電磁功率:

式中:f為電源頻率2 Hz;τ為樣機極距0.051 m。因此，效率可用下式計算:

非正弦供電下最大推力記為 F2max，效率為η2max。由于諧波的存在，F2xmax降低為 20000 N［2，10］，效率η2max計算如下:

比較 η1max、η2max可以發現，同等條件下，非正弦供電比正弦供電，效率降低了9.2%。

本例告訴我們，采用變頻器作為直線電動機電源，運行過程中電機的效率較不考慮諧波時降低了9.2%。如果再加上電力電子器件的開關損耗等影響，由永磁直線同步電動機和變頻器組成的拖動系統，其效率將會大幅下降，輸出功率降低，直線電動機的溫升也將增加，因此必須采取一定的措施補償諧波對系統及設備的影響。電源波形發生畸變，直線電動機繞組感應電動勢以及水平推力都會產生相應的高階次諧波，直線電動機定子繞組承受很大的電壓上升率，電機匝間及對地絕緣承受著嚴峻考驗。

3 有源電力濾波器(APF)對變頻器諧波抑制仿真

針對變頻器造成的諧波污染問題，本文擬采用同時對系統諧波和無功需求進行補償的有源濾波器進行改善，其諧波檢測基于瞬時電流分解的ip－iq電流法，結構使用并聯型APF。通過MATLAB/Simulink仿真驗證了APF對系統改善的高可控性和有效性。鑒于一般用于380 V系統，因此主電路采用三相四線制。原理框圖如圖3所示。

圖3 諧波電流檢測的仿真原理圖

仿真參數設置如下:信號采樣頻率設定為6.4 kHz，仿真時間設為0.4 s，基本幅值在 0.2 s時增大一倍，LPF采用三階Elliptic低通濾波器。仿真結果如圖4所示。

4 結 語

本文分析計算了變頻器諧波對磁場分布及電機效率、功率的影響。利用MATLAB仿真驗證了APF可對諧波進行抑制，因而證明有源電力濾波器對解決目前電力系統中存在的大功率電力電子器件應用造成的諧波污染問題有著廣泛的實用價值。降低或消除變頻器輸出諧波含量，電機模型的建立就會相對簡單化，諧波對電機模型的危害就可以降低。這對于提高變頻器供電直線電動機更加廣泛的應用具有很好的現實意義，也為永磁直線電動機在結構、參數及性能上的優化提供了依據。隨著電力電子器件及控制等技術的飛速發展，諧波治理技術將會邁上一個新的臺階，變頻器諧波問題也將被限制在最小范圍之內以改善系統的穩定性，提高電網輸電能力。

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