三相不平衡系统中感应电机谐波抑制方法研究

张永会，张恩龙，张洪坤，冷月妍

（1.吉林白山发电厂，吉林 白山 134300；2.沈阳工程学院 研究生部，辽宁 沈阳 110136）

在工业三相交流电网系统中，由于用电设备功率的不均衡，电网系统通常呈现出三相不平衡的运行状态，需要找到一种经济、可行、有效的方法降低三相不平衡对配电网的危害。三相交流电机以其结构简单、控制简单、运行可靠、性价比高等众多优点，在纺织、油田、煤炭、钻井、航空及航天等众多工业领域得到广泛应用［1］。由于三相交流电机的转子磁场定向矢量控制技术具有控制可靠性高、控制简单及电压利用率高等优点，因此在工业三相交流不平衡电网系统中的三相交流电机普遍采用转子磁场定向矢量控制技术［2］。然而，由于三相交流电机本体有气隙磁场畸变、逆变控制过程中的死区时间、IGBT管压降等问题，在三相交流电网及电机输入端的电能中产生大量的谐波。而这些谐波给三相交流电网及电机本体带来了巨大的潜在危害。其谐波的危害主要可以从两方面进行分析［3］：

1）电网层面

谐波通常被人们形象的比喻为“电网有毒有害垃圾”。谐波能够造成电网中的其他用电设备损耗增加，效率降低，线路发热，甚至存在引起火灾的风险；谐波可能造成继电保护器等自动化保护装置误动作，造成供电中断等故障发生；谐波能够造成其他用电设备产生振动及电磁噪声，给人们的生活带来困扰；谐波还会对周围的通讯设备系统产生影响，造成通讯质量下降，图形混乱等［4］。

2）三相交流电机

谐波会造成电机损耗增加，发热严重，使电机定子线圈因过热而烧毁；谐波会使电机产生转矩及转速脉动，电机运行平稳性变差，产生振动，造成与三相电机相关的机械损耗；同时，谐波还会使电机产生电磁噪声，对人们的身体健康造成危害［5］。

针对目前工业三相不平衡交流电网系统中的三相交流电机谐波问题，从控制电机的角度来说，抑制谐波的方法主要有：

1）最小开关损耗控制法

通过建立多个非线性方程，并给定多个线性方程的约束条件，对其进行求解，得到最优开关角，以此降低电机谐波含量。该方法虽然控制精度较高，但其计算量较大，对硬件CPU 的处理速度要求较高，并且依赖于电流采样精度［6］。

2）电压补偿法

搭建三相交流电机谐波数学模型，通过该数学模型获取实时谐波补偿量进行谐波抑制。该方法对于转速较低的三相交流电机的补偿效果较好，但对于高速三相交流电机，该补偿方法对电机电流及转速的检测设备的精度及响应时间提出了更高的要求。

3）时间补偿法

时间补偿通过直接方式对电机控制器输出的三相电流SVPWM 波信号进行补偿，但如何精确判定三相电流的矢量相位是一个需要解决的难题［7］。

除此以外，对于工业三相交流不平衡电网系统中三相交流电机谐波的抑制方式，还有采用在三相交流电机输入三相交流线路中串入电抗器、无源滤波器、有源滤波器及混合型有源滤波器等方式，但这些方式对于抑制谐波效果相当有限，仅对某固定频次的谐波有一定的抑制效果。本文提出了一种适用于三相不平衡交流系统中感应电机的谐波抑制方法。

1 系统建模分析

1.1 系统构成

三相交流不平衡电网系统中交流电机的谐波抑制系统主要由快速电流监测装置、IGBT逆变器、电机控制装置、谐波PWM 补偿器和可控硅整流桥构成，如图1 所示。其工作原理为可控硅整流桥将三相交流不平衡电网中的三相交流电整流成直流电，然后输入给IGBT逆变器，同时电机控制装置采集可控硅整流桥输出的直流电压及电流供其控制策略使用，IGBT 逆变器将直流电转化成三相交流电机所需的交流电。快速电流监测装置快速、精确地采集三相交流电流信号，通过傅里叶变换提取获得三相交流电流信号谐波分量，提取谐波分量输入到模糊自适应模块库中，通过样本比对，获取准确PWM 谐波补偿信号，传递至电机控制装置。电机控制装置调整输入到IGBT 逆变器SVPWM 信号，减小三相交流电机中的谐波电流分量，将三相交流电机中的谐波降低到最低［8］，同时改善了三相交流不平衡电网系统的电能质量。

图1 三相交流不平衡电网系统中交流电机的谐波抑制系统

1.2 系统分析

系统通过快速电流监测装置快速监测三相交流电流。快速电流监测装置是一种快速的电流监测传感器。它是将电流采样线圈均匀绕制在非铁磁线圈骨架上，为了消除外界磁场的辐射干扰，在线圈骨架上绕制一圈与电流采样线圈反向的回路线圈。快速电流监测装置一般结构如图2 所示。快速电流监测装置电流传感器能够根据电磁感应及安培定律实现快速、精确地采集电流，其输出信号可表示为

式中，i（t）为三相交流电机输入电流中的一相；μ0为真空磁导率；r为快速电流监测装置内中心半径；H为快速电流监测装置厚度；r0为快速电流监测装置内圆半径；r1为快速电流监测装置的外圆半径；φ为快速电流监测装置磁通量；R为快速电流监测装置采样电阻；iout（t）为快速电流监测装置输出三相交流电机相电流。

图2 快速电流监测装置

通过快速电流监测装置获取三相交流电流，经傅里叶变换可得：

式中，iA（t）、iB（t）和iC（t）分别为三相交流电机A、B和C 的相电流；I1为三相交流电机三相基波电流；In为三相交流电机三相n次谐波电流；α1和αn分别为基波和n次谐波电流初始相位角。

将三相交流电机的输入电流谐波信号输入到模糊自适应模块库中，通过样本比对，获取准确谐波PWM 补偿信号，输出到SVPWM 逆变器驱动模块，然后根据PWM谐波补偿信号，调整三相交流电PWM 信号的输出，降低三相交流电机三相交流中的谐波分量。为了验证该方法的可行性，证明该方法能够有效抑制三相交流电机中的谐波，改善三相交流电网质量，进行了系统仿真试验。

2 系统仿真试验

以380 V 三相交流不平衡电网和1 台500 VAC的三相交流永磁同步电动机为例进行系统仿真验证。该电动机的额定转速为2 000 r/min，额定输出扭矩为150 N·m，最高转速为3 600 r/min，定子相电阻为30 mΩ，定子相电感为232 μH，极对数为10，转矩系数为1.32。搭建完成的系统仿真模型如图3 所示。

图3 三相交流电网中交流电机的谐波抑制系统仿真模型

假设电机按照额定转速及转矩运行，系统仿真时间为5 min，为了说明谐波抑制效果，分别进行了加入谐波PWM 补偿器和未加入谐波PWM 补偿器两种情况的系统仿真试验。假设三相交流不平衡电网的不平衡度为21%，最高幅值电流为140 A，其三相交流不平衡电网电流波形对比曲线如图4 所示，其仿真输出三相电流波形如图5和图6所示。

图4 三相交流不平衡的电网电流波形对比

图5 未加入谐波补偿的三相电流系统仿真输出波形

图6 加入谐波补偿的三相电流系统仿真输出波形

通过仿真试验结果可知，该谐波抑制方法能够针对不同频次的谐波分量进行有效补偿，降低三相交流电机中的谐波含量。同时，由三相交流不平衡电网电流可以看出，加入谐波PWM 补偿能够降低三相交流不平衡电网中的谐波含量，改善了三相交流不平衡电网电能质量，提高了三相交流电网系统的运行可靠性。

3 结语

本文针对三相交流不平衡电网及电机中的谐波，提出了一种有效的谐波抑制方法。通过电流快速检测装置获取了三相交流电机的输入电流波形，经过傅里叶变换获得准确的三相交流谐波，最后通过模糊自适应控制方法对谐波精确补偿。通过系统仿真结果可知，该方法能够有效抑制三相交流不平衡电网中的谐波，改善了电网的电能质量，同时可降低电机的谐波损耗，减小电机的放热量。