可調(diào)電感式高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)諧波抑制方法

崔 紅,王鳳翔

(1.遼寧省交通高等專(zhuān)科學(xué)校,沈陽(yáng) 110122；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),沈陽(yáng) 110870)

可調(diào)電感式高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)諧波抑制方法

崔 紅1,王鳳翔2

(1.遼寧省交通高等專(zhuān)科學(xué)校,沈陽(yáng) 110122；2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),沈陽(yáng) 110870)

采用六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器可以減小功率器件的開(kāi)關(guān)頻率，這對(duì)于高頻變頻器的實(shí)現(xiàn)非常有利，但會(huì)使高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的電流含有大量諧波。針對(duì)六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器，提出了一種可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)方法。可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器可以根據(jù)變頻器輸出頻率的變化來(lái)適時(shí)調(diào)整電感值，主要針對(duì)5次、7次等階次諧波加以濾除。通過(guò)對(duì)高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明采用所提出的可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器能夠有效地減小變頻器輸出電流的諧波,為抑制高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的諧波提供了依據(jù)。

可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器；諧波抑制；高速電動(dòng)機(jī)；六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器

0 引 言

高速電機(jī)具有能量密度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快、電機(jī)尺寸小以及效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在高速磨床、離心式壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)以及航空等領(lǐng)域。我國(guó)對(duì)高速電機(jī)的需求比較迫切。在變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，通常采用PWM變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)供電，但是對(duì)于數(shù)萬(wàn)r/min的高速電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，若采用通用PWM變頻器由于受功率器件開(kāi)關(guān)頻率的限制，在高頻時(shí)高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的諧波比較大，影響高速電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外由于高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的諧波頻率和基波頻率非常接近，因此增加了諧波抑制的難度。

六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器由于每周期功率器件僅開(kāi)關(guān)六次，可以大大降低對(duì)功率器件的要求，適合于高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)。但是由于方波中含有很大的諧波(特別是5次、7次等階次諧波較大)，如果不加以濾除，將會(huì)給高速電動(dòng)機(jī)帶來(lái)不良影響，如引起附加損耗，增加電機(jī)的振動(dòng)和噪聲等;同時(shí)減小變速系統(tǒng)的低次諧波非常困難[1-3]。

本文提出了一種抑制六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器低次諧波的有效方法，即采用可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器抑制高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的諧波?？烧{(diào)電感自適應(yīng)濾波器是電感可調(diào)的低通濾波器和帶阻濾波器的組合。帶阻濾波器的電感可以根據(jù)變頻器輸出頻率的變化來(lái)控制，以便在高速電動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速情況下較好地抑制供電系統(tǒng)的諧波。

1 通用PWM變頻器

在高速電動(dòng)機(jī)的某些應(yīng)用場(chǎng)合，電動(dòng)機(jī)的速度不需要改變。高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)可以使用高頻PWM變頻器。這種情況下濾波器的設(shè)計(jì)比高速電動(dòng)機(jī)在變速時(shí)供電系統(tǒng)濾波器的設(shè)計(jì)要容易一些。然而，如果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特別高，例如轉(zhuǎn)速為數(shù)萬(wàn)r/min，普通的LC濾波器可能不能滿(mǎn)足抑制諧波的要求。對(duì)于額定轉(zhuǎn)速為數(shù)萬(wàn)r/min的大功率高速電動(dòng)機(jī)，供電頻率為數(shù)kHz，由于受變頻器功率器件開(kāi)關(guān)頻率的限制(開(kāi)關(guān)頻率一般僅為5～15 kHz)，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。

減小高速電動(dòng)機(jī)恒速時(shí)供電系統(tǒng)電流諧波的三階LCL濾波器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[4-5]。

圖1 變頻器輸出端LCL濾波器的結(jié)構(gòu)圖

2 可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器的六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器

如果高速電動(dòng)機(jī)的速度是恒定的，可以通過(guò)如上所述的在變頻器輸出端加上特殊設(shè)計(jì)的LC濾波器來(lái)減小低次諧波電流。然而，對(duì)于參數(shù)固定的LC濾波器由于基波頻率和諧波頻率是變化的，因而不能滿(mǎn)足變速系統(tǒng)的要求。

高速電動(dòng)機(jī)在變速情況下，為了減小功率器件的開(kāi)關(guān)損耗和變頻器輸出電流的諧波，本文針對(duì)六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器提出了可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)方法。

高速電動(dòng)機(jī)變頻系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。

圖2 高速電動(dòng)機(jī)變頻系統(tǒng)的原理框圖

2.1 六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器

由二極管構(gòu)成的整流器、調(diào)節(jié)直流總線(xiàn)電壓的直流斬波器以及六脈沖開(kāi)關(guān)模式逆變器組成的六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器如圖2中虛線(xiàn)框所示。六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器的輸出電壓波形如圖3所示，圖3中uU′N(xiāo)′，uV′N(xiāo)′和uW′N(xiāo)′為相電壓，而uU′V′為線(xiàn)電壓。

對(duì)于高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)采用六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器的原因如下：

1)六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器的開(kāi)關(guān)頻率最小，變頻器功率器件開(kāi)關(guān)損耗可以減小。

2)六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器的輸出端電壓諧波和電流諧波階次固定，比較容易消除。對(duì)于六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器，5次和7次諧波是階次最低而且幅值最大的諧波，是設(shè)計(jì)濾波器時(shí)主要考慮的諧波。

圖3 六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器的輸出電壓波形

2.2 六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器的設(shè)計(jì)

圖2中的可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器由一個(gè)低通濾波器和兩個(gè)電感可調(diào)的帶阻濾波器組成。低通濾波器用于減小高次諧波而帶阻濾波器用于消除5次和7次諧波。帶阻濾波器可以隨變頻器輸出電流頻率的變化而調(diào)節(jié)帶寬。帶阻濾波器的參數(shù)取決于要消除的諧波的頻率和LC串聯(lián)諧振條件?？烧{(diào)電感的電感值能夠隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，對(duì)變頻器和濾波器可用同一個(gè)控制單元來(lái)控制。

圖4為可調(diào)電感的繞組連接示意圖。繞在兩側(cè)鐵心上的兩個(gè)交流繞組反向串聯(lián)，直流勵(lì)磁繞組繞在中間鐵心上。兩個(gè)交流繞組電流在中間鐵心上產(chǎn)生的磁通方向始終相反。由于兩個(gè)交流繞組的電感增量大小相等、方向相反，所以在直流勵(lì)磁繞組中不產(chǎn)生交流感應(yīng)電壓[6]。

圖4 可調(diào)電感的繞組連接示意圖

通過(guò)控制直流勵(lì)磁電流就可以改變電感值，使可調(diào)帶阻濾波器工作在諧振點(diǎn)上。

圖5為通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的交流等效電感和直流勵(lì)磁電流間關(guān)系曲線(xiàn)。從圖5中可以看出，由于鐵心的磁飽和效應(yīng)，隨著直流勵(lì)磁電流的增加，電感值非線(xiàn)性地減小。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電感與直流勵(lì)磁電流關(guān)系曲線(xiàn)

可調(diào)帶阻濾波器的參數(shù)可以通過(guò)計(jì)算要消除諧波的諧振頻率得到。例如，消除5次電流諧波的可調(diào)帶阻濾波器的參數(shù)選擇可按如下方法確定。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，供電頻率為200 Hz時(shí)，濾除5次電流諧波的可調(diào)帶阻濾波器諧振頻率：

(1)

式中:f5=5f1=1 000 Hz。如果電容：C5=10 μF，由式(1)可得：L5=2.53 mH。同理，消除7次電流諧波的可調(diào)帶阻濾波器的參數(shù)選擇如下：C7=10 μF，L7=1.29 mH。

可調(diào)電感L5和L7的變化范圍由高速電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍來(lái)決定。電感L5和L7不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致電感上的電壓降過(guò)大而高速電動(dòng)機(jī)的供電電壓過(guò)小的情況發(fā)生，進(jìn)而電機(jī)無(wú)法起動(dòng)。通過(guò)計(jì)算和仿真可知，可調(diào)電感L5的取值范圍：2.53～40.5 mH，而可調(diào)電感L7的取值范圍：1.29～20.68 mH。

可調(diào)電感的直流勵(lì)磁電流由可控直流電源提供。如圖2所示，六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器的基波頻率由高速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速估算，可調(diào)電感L5和L7的值由DSP控制器和可調(diào)電感控制電路時(shí)時(shí)計(jì)算得到，這兩組電感與選定的電容分別諧振在5倍、7倍當(dāng)前頻率下。

為了節(jié)省可調(diào)電感的計(jì)算和控制的時(shí)間，把通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的直流勵(lì)磁電流與交流等效電感之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(如表1所示)，以及頻率與交流等效電感值的對(duì)應(yīng)關(guān)系(如表2和表3所示)，存入DSP控制器中。然后根據(jù)高速電動(dòng)機(jī)的不同運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)查表的方法可以快速得到可調(diào)電感的直流勵(lì)磁電流的值，從而達(dá)到較好的濾波效果。當(dāng)表中無(wú)對(duì)應(yīng)的電感值時(shí)，可采用線(xiàn)性插值的方法計(jì)算即可得到控制電壓。

表1 直流勵(lì)磁電流與交流等效電感之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系表(其中一部分)

表2 頻率與交流等效電感值得對(duì)應(yīng)關(guān)系表(消除5次諧波)(其中一部分)

表3 頻率與交流等效電感值得對(duì)應(yīng)關(guān)系表(消除7次諧波)(其中一部分)

磁飽和可調(diào)電感設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 可調(diào)電感的繞組鏈接示意圖

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)圖2的系統(tǒng)，以PN=10 kW，UN=220 V，nN=12 000 r/min，fN=200 Hz的高速永磁電動(dòng)機(jī)為被控對(duì)象，對(duì)六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器輸出端在不加濾波器、加電感、加可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器的不同情況分別進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。在這三種情況下高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的仿真電流波形和仿真電流諧波分析如圖7～圖12所示。

圖7 不加濾波器時(shí)仿真電流波形(f=200 Hz)

圖8 不加濾波器時(shí)仿真電流諧波分析(f=200 Hz)

圖9 加電感時(shí)仿真電流波形(L=0.6 mH)

圖10 加電感時(shí)仿真電流諧波分析(L=0.6 mH)

圖11 加可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器時(shí)仿真電流波形

圖12 加可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器時(shí)仿真電流諧波分析

從圖7和圖8可見(jiàn)，在變頻器的輸出端不加濾波器時(shí)，高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)電流諧波分量很大，電流的總諧波畸變率(THD)高達(dá)48.51%，此時(shí)基波電流的幅值為2.35 A。

從圖9和圖10可見(jiàn)，在變頻器的輸出端加裝交流電感L=0.6 mH后，電流波形有較大改善，THD減小為12.32%。由此可見(jiàn)，在變頻器輸出端加電感有助于減小諧波，然而定值電感不適合于變速的情況。

從圖11和圖12可見(jiàn)，在變頻器輸出端加可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器后高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)電流接近正弦波，THD只有1.16%。

圖13為高速電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為10 000 r/min、供電系統(tǒng)頻率為166.67 Hz時(shí)，六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器輸出端在不同情況下，高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)電流諧波分析的仿真比較結(jié)果。圖13中A,B,C分別對(duì)應(yīng)在變頻器輸出端未加濾波器﹑加電感(L=0.6mH)和加可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器。

圖13 加不同濾波器時(shí)高速電動(dòng)機(jī)

從上述分析明顯可以看出，采用六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器,在變頻器輸出端加可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器是減小變速高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)電流和電壓諧波的較好方式。

圖14、圖15為高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)采用了六脈沖開(kāi)關(guān)模式的變頻器，分別在變頻器的輸出端不加濾波器和加裝可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器時(shí)，高速電機(jī)的供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電流波形(頻率不同)。其中在圖15的電流測(cè)試中，消除5次、7次諧波的可調(diào)電感的可控直流勵(lì)磁電流分別為IDC5=1.4 A，IDC7=1.6 A。

(a) 變頻器輸出端不加濾波器

(b) 變頻器輸出端加可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器

(a) 變頻器輸出端不加濾波器

(b) 變頻器輸出端加可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用六脈沖開(kāi)關(guān)模式變頻器時(shí)，在變頻器輸出端加可調(diào)電感的自適應(yīng)濾波器，由于電感值能隨頻率的變化而變化，因而對(duì)于濾除高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的不同頻率下特定次數(shù)的電流諧波效果較好。適合于頻率變化的高速電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)研究可知：

(1)對(duì)于高速電動(dòng)機(jī)，采用通用PWM變頻器時(shí)，由于受變頻器功率器件開(kāi)關(guān)頻率限制，變頻器輸出端電流諧波的頻率和基波頻率非常接近，因此抑制電流諧波異常困難。

(2)由于基波和諧波的頻率是變化的，因此使用帶有定值參數(shù)的濾波器不能滿(mǎn)足高速電動(dòng)機(jī)速度變化的要求。

(3)提出的可調(diào)電感自適應(yīng)濾波器對(duì)于變速高速電動(dòng)機(jī)供電系統(tǒng)是一種有效的減小開(kāi)關(guān)損耗和電流諧波的方法。

[1] AGLEN O,ANDERSON A.Thermal analysis of a high-speed generator[C]//Proc. of IEEE-IAS Annual Meeting.IEEE,2003:547-554.

[2] LASCU C,ASIMINOAEI L,BOLDEA I,et al.Frequency response analysis of current controllers for selective harmonic compensation in active power filters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(2):337-347.

[3] 鮑海靜，梁培鑫，柴鳳.飛輪儲(chǔ)能用高速永磁同步電機(jī)技術(shù)綜述[J].微電機(jī),2014,47(2):64-72.

[4] 趙文華，劉勇，韓素芳.三相電壓型高頻PWM整流器的LCL濾波器研究與設(shè)計(jì)[J].電機(jī)控制與應(yīng)用,2012,39(9):20-23.

[5] 劉超，趙爭(zhēng)鳴，魯挺.三電平PWM整流器網(wǎng)側(cè)LCL濾波器設(shè)計(jì)[J].電工電能新技術(shù),2012,31(1):56-59.

[6] 陳希有，顏斌，徐殿國(guó)，等.可調(diào)式逆變器輸出濾波器的原理與實(shí)踐[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,35(5):549-552.

Harmonic Reduction Method for High Speed Motor Power Supply by Using Adjustable Inductor

CUIHong1,WANGFeng-xiang2

(1.Liaoning Provincial College of Communications,Shenyang 110122,China;2.Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

The six-step switch mode converter can reduce the switching frequency of power devices which is beneficial to realize high frequency converter. However, it can cause the current of the high-speed motor power supply rich in harmonics. A design method of adjustable inductor adapter filter was proposed for six-step switch mode converter. The adjustable inductor adapter filter can adjust inductance following current frequency of the converter which mainly eliminates the 5th and the 7th order harmonics etc. The simulation and experiment results on a high-speed motor power supply show that the proposed adjustable inductor adapter filter can reduce the harmonic components of converter output current effectively. It has provided a basis for harmonic suppression for high-speed motor power supply.

adjustable inductance adaptive filter； harmonic suppression; high-speed motor; six-pulse switch mode converter

2016-01-25

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50437010)

TM355

A

1004-7018(2016)05-0010-04

崔紅(1969-)，女，博士,副教授，研究方向特種電機(jī)及其控制。