PWM变频器输出过电压和谐波对电动机的影响及抑制措施

PWM变频器输出过电压和谐波对电动机的影响及抑制措施随着电力电子技术和现代控制理论在交流变频器调速驱动系统
的应用，特别是近年来，IGBT等高开关速率的电力电子器件及PWM 变频调速技术的进步，变频器(或逆变器)越来越广泛地应用于工业生产和日常生活中，并且有取代直流调速传动的趋势。

从目前国内看，中小容量的变频器调速系统使用的比较广泛，研制和开发技术还比较成熟，在使用的变频器中，低压变频器和100kW 以下的变频器占绝大多数，其中70％以上应用在风机泵类负载及压缩机上，如供水与供暖系统、输液系统和通风系统。

在我国拖动风机泵类负载的电动机中，虽然大功率在数量上仅占20 ％，但在容量上却占80％以上。

因此，大功率电动机的变频调速是现在节能措施中极为重要的手段。

石化、化工、采矿、钢铁、发电及自来水厂等行业所拥有的大功率风机泵类负载节能改造对大功率变频器的需求很大，这对变频器行业来说是一急需开发的市场。

但是，目前在我国变频器的生产厂家中，实际能生产大功率低压变频器的还不多，大多数厂家实际上仅能生产75kW甚至是37kW以下的变频器。

研究PWM逆变器供电对异步电动机的影响，不仅可以对电机和大功率变频器的设计和应用具有现实意义，而且对电机绝缘寿命有重要意义。

PWM供电对电动机的影响PWM变频调速对异步电动机的影响有很多方面，我现在从PWM 变频器对电网和对电动机这两端来看，谈以下主要两点：1. 机端过电压PWM变频器输出的具有陡上升沿或下降沿的脉冲电压却在电
动机接线端子及绕组上产生了过电压，造成电动机绕组绝缘的过早破坏，许多变频电动机寿命只有1～2年，甚至有些在试运行期间电动机绝缘就发生击穿破坏。

文献[1]中试验研究表明，很高的电压上升率( )在电动机绕组上产生不均匀的电压分布，随着变频器与电动机之间电缆长度的增加，在电动机接线端子上将产生近2倍高频振荡的过电压，而且电缆越长，过电压的峰值越大，长时间重复性的过电压应力的作用将致电动机绕组匝间绝缘的过早破坏。

在文献[1]中，也表明变频器开关器件高的开关频率会造成上升沿时间很短，电力晶体管(GTR)和IGBT通常时间小于0.1μ,GTO常处于2-10μ,这样使电机在很短的时间内承受很高的峰值电压；有些电机制造商给出了可以接受的上升时间，一般希望上升时间大约为5μ，而且过电压和入射电压、反射电压都在tr上升时间内同时急剧增加，这对电机来讲，长时间的作用会损坏电机。

在文献[2]中，PWM驱动电机的输出电压幅值和频率通过控制逆变器开关状态来改变的，高的开关频率最明显的优点是减少低次谐波，可以减少输出滤波器的容量，但过快的电压变化能够引起严重的绝缘问题，对于每个脉冲的前沿和后沿在短时间内都有高频衰减振荡，而且峰值电压的85％都降落在第一个线圈上的第一匝，易引起匝间故障。

2．变频器电源的谐波变频器的主电路一般为交-直-交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压信号，经滤波电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。

在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波
将干扰输入供电系统。

在逆变输出回路中，输出电压信号是受PWM 载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为2～3kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15kHz。

同样，输出回路电流信号也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。

谐波电压和电流对电动机影响更大，会增加电动机的铁耗和铜耗，使电动机温度上升，效率下降，并产生噪声，还会使电动机转子振动，甚至造成电机损坏，谐波还对通信以及电子设备产生严重干扰，影响周围设备的正常运行。

同时，谐波引起电缆内耗加大，电缆发热，缩短电缆的使用寿命；而高次谐波对电容的影响更为突出，含有高次谐波的电压加至电容两端时，由于电容器对高次谐波的阻抗很小，所以电容器很容易发生过负荷导致损坏。

高次谐波的干扰，往往还会导致电动机保护开关误动作，造成电网停电，严重影响用电设备的正常工作。

同时，高次谐波电流还通过电缆向空间辐射，对通讯设备也产生干扰信号。

文献[6]中，用傅立叶分析方法把PWM变频器输出脉冲进行频谱分析，由于PWM在三相桥式逆变电路情况下，根据晶体管V1-V6的导通和截止的不同组合，三相输出端U、V、W相对于直流回路的中点0的电位分别为+E/2或-E/2,而输出线电压为+E、-E、0。

经过分析，得到三
相变频器输出线电压的基波和谐波幅值，谐波含量和幅值比较高，对电动机的影响比较严重。

解决方案初探1抑制谐波常用的方法逆
变器是电力电子装置中的重要组成部分，是不间断电源、交流电气传动、中频电源等许多设备的核心，因而其研究工作倍受人们的关注，
研究的焦点是如何方便地调节逆变电源的输出电压和频率，并降低谐波含量，改善输出波形。

迄今为止，降低谐波含量和调节输出电压（大小或频率）的常用措施有：（1）对逆变电源的开关进行高频PWM 调制，使逆变器输出为高频等幅的PWM波；（2）通过改变逆变电源主电路拓扑结构，在主电路上进行波形重构以实现阶梯波形输出，减小低阶高次谐波含量；对于高频PWM调制来说，开关频率越高，谐波含量越小，但开关损耗也越大，故不宜用在大功率逆变电源中。

而波形重构方式往往需要多个逆变器来实现电压的叠加。

波形重构的级数越多，出现的最低谐波次数越高，但主电路和控制电路也越复杂，相应地控制难度也越大，输出电压的调节也不甚方便，因此这种方式通常只在大功率逆变电源中采用。

理论分析表明，早在1973年提出的消谐控制策略能有效地克服上述问题，它只需要较少的开关脉冲数即可完全消除容量较大的低阶高次谐波，取得很好的滤波效果，具有开关频率低、开关损耗小、电压利用率高、滤波容量小等许多优点，是实现逆变电源PWM控制的理想方法。

然而该方法经过近二十年的研究至今仍未实际应用，其主要原因是消谐模型的求解复杂，难以获得实时控制。

文献[5]中，提出适当的调节输出电压调制比、载波频率和逆变电路开关滞时等参数，可以减少谐波对电机的影响。

以上的消除谐波多是从变频器的逆变侧出发，通过各种有效措施来减少输出的谐波含量。

从谐波对电网的影响来看，治理谐波问题基本思路是：第一，对电力电子装置本身进行有效地控制，改造本身的性能，使其功率因数可控制为1，不产生谐波；第二，装谐波补偿装置来补偿谐
波源，使其注入电网的谐波几乎为0.传统装设谐波补偿装置的方法是采用LC调谐滤波器，它的基本原理是利用LC串联谐振，为滤除特定次谐波提供阻抗极低的通路，使其不注入电网，同时还可以补偿无功功率。

如图(1)所示，这种消谐方式结构简单，不必要控制回路，运行费用低，造价相对也较低，一直被广泛使用。

这种方法主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，容易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。

但是目前LC滤波器仍是补偿谐波的主要手段，而且常用单调谐和二阶高通滤波器组合来滤波，二阶高通其结构如图(1)。

由于LC滤波器本身缺点，国内外都探索采用其他滤波方式来进行电网谐波抑制。

有源滤波器(APF)就是一种能够弥补无源滤波器不足的新型滤波设备。

它的基本原理是向系统电网注入补偿谐波电流，以抵消非线性负载所产生的谐波电流。

如图(2)所示。

有源滤波器基本原理可用如下一组公式来描述：, , , ，式中表示为负载电流的基波分量；但是有源滤波器的使用要求有较大的容量来提供足够的补偿电流。

因此，文献[7]又提出了混合型有源滤波器，它的优点在于结合了无源滤波器和有源滤波器的优点，克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点，又可获得良好的补偿性能。

无源LC滤波器典型组成可以滤除特征谐波，如5、7、9、11等，这样，绝大多数由谐波源产生的谐波已由LC滤波器滤除，有源滤波器只需要补偿LC滤波器未能补偿的谐波，因而，有源滤波器只需要提供很小的补偿电流，容量不需要很大。

2．机端过电压的抑制在电机端子上安装阻抗匹配器可以很大程度地消除过电压，最简单的是并
联一个与电缆的波阻抗接近的电阻，但在电阻上功耗很大。

采用阻抗匹配与滤波于一体低通滤波器，它是将电阻和电容串联后并联在电机接线端子相相之间，如图(2) 要阻止机端过电压，必须正确地选择滤波器参数，对于任意容量或电压等级的变频调速系统，滤波器参数的选取应根据变频器的上升时间及幅值、电缆和电动机的波阻抗及电缆长度来确定。

文献[3]中试验表明，一般来说，驱动系统的容量越大，变频器的上升时间就越长，电缆和电动机的波阻抗就越小，滤波器的参数Rf和Cf则相应减小。

对于滤波电阻Rf的阻值应该与电缆的波阻抗Z0相等，而电动机的冲击阻抗(或波阻抗)远大于Z0,这样负载阻抗近似为电阻，电缆末端的负载阻抗与电缆的波阻抗相匹配，那末在电机机端就不会产生电压波的全反射，也不会形成过电压。

滤波器的Rf和Cf与电动机端过电压的关系：(1) 滤波器的电容值Cf越大，Rf越小，过电压倍率(上升沿处的电压峰值Vm与稳态值V之比)就越小；(2) 过电压倍率随电容增加而变化幅度与Rf有关，Rf越大，过电压倍率随电容变化幅度越小，当Rf大于一定阻值时，过电压倍率随电容的增加，变化幅度很小；滤波器的Rf与Cf与电动机端上升沿时间的关系：(1) Rf越小，上升沿时间tr就越大，且随Cf的增大而增加，但Cf超过一定值时，tr趋于饱和，与电容值无关；(2) 电缆长度L越长，上升沿时间也相应增加，这样电压变化率就越小；在文献[9]中，为了抑制电动机端电压反射现象，可采用RC一阶无源滤波器来显著减少电动机端的过电压，消除了高频阻尼震荡现象，从而避免电动机绝缘的快速老化甚至损坏。

通过分析表明，电压反射现象
与逆变器输出脉冲的上升时间以及电缆的长度有关，PWM上升时间越短，电缆长度越长，反射越明显。

在文献[8]中提出使用新的逆变器输出滤波器的拓扑结构，能够有效减少高频谐波引起电动机轴承和绝缘损害。

新的滤波器是由LC滤波器和RLC滤波网络串联构成，如图(3) LC滤波器由变频器开关频率来调谐，能够十分有效地滤掉开关频率出地电压谐波，在开关频率处阻抗为无穷大，滤波器的谐振角频率为，对于RLC滤波器而言,也要满足一定的条件。

此种新的滤波器结构使输出波形比较平缓，可以降低输出脉冲的过电压和上升沿时间，相对于传统的并在电动机出口的RC滤波而言，如图(4),它能够很好的消除过电压对电机的影响。

总结从上述所讲，PWM变频器所产生的谐波和过电压对电网和对电机的影响是十分严重的，尽管目前已经提出了各种解决方法，但是对于谐波而言，所引起得一些基本概念还没有统一定义，谐波治理还停留在无源阶段，需要大量工作来使有源和混合型滤波器投入实际运行中，对于PWM输出脉冲所产生过电压问题，如何有效抑制，基本都用无源RC来抑制，对于参数的选取比较麻烦，如果寻求一种更高效防止过电压的电路，能够实时的检测PWM上升沿和下降沿，及时的补偿过电压来提高效率，减少电机的损坏和使用寿命。