一种适用于三相交流系统中电机谐波有效抑制方法

技术领域

本发明属于工业普遍存在的三相交流供电系统中电机控制技术领域，尤其涉及一种适用于三相交流系统中电机谐波有效抑制方法。

背景技术

在工业三相交流供电系统中，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，由于其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供电系统中的三相交流电机目前普遍采用转子磁场定向矢量控制技术。然而，由于三相交流电机本体气隙磁场畸变、逆变控制过程中的死区时间、IGBT管压降等问题造成三相交流供电系统及电机输入端电能中产生大量的谐波，大量的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：

（1）从电网方面进行分析，谐波通常被人们形象的比喻做“电网有毒有害垃圾”，谐波能够造成电网中的其它用电设备损耗增加，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；谐波能够造成其它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。

（2）就三相交流电机本身来说，谐波会造成电机损耗增加，发热严重，严重造成电机定子线圈因过热而烧毁；谐波还会造成电机产生转矩及转速脉动，电机运行平稳性变差，产生振动，长期将造成与三相电机相关的机械损耗；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。

针对目前工业三相交流供电系统中的三相交流电机谐波，从电机控制角度的抑制方法主要有：采用最小开关损耗控制法抑制谐波，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，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；采用电压补偿法抑制谐波，首先通过搭建三相交流电机谐波数学模型，通过三相交流电机谐波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，该补偿方法对于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；对于谐波的抑制方法，还有时间补偿法，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。

目前，对于工业三相交流供电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，但是这种方式对于抑制某固定频次的谐波有一定效果，其抑制效果相当有限。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足而提供一种适用于三相交流系统中电机谐波有效抑制方法，能够有效降低三相交流系统及三相交流电机中的谐波分量，改善电能质量，提高三相交流系统运行的稳定性，降低三相交流电机的热损耗。

本发明的技术解决方案是：一种适用于三相交流系统中电机谐波有效抑制方法，其特征在于，该方法包括：

通过快速电流监测装置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的谐波分量。

将提取的谐波分量输入到模糊自适应模块。

模糊自适应模块通过与样本比对，获取准确的PWM谐波补偿信号。

PWM谐波补偿信号输出到SVPWM模块，SVPWM模块根据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。

上述方案中，

通过快速电流监测装置采集三相交流电流信号包括：快速电流监测装置是将一电流采样线圈均匀绕制在一非铁磁线圈骨架上，在线圈骨架上绕制一圈与电流采样线圈反向的回路线圈输出信号表示为

其中，

将三相交流采集信号进行傅里叶变换，提取三相交流信号中的谐波分量，傅里叶变换后的三相交流电机输入电流信号表示为：

其中，

采集得到三相交流电机A相电流、B相电流和C相电流，同时经过Clarke变换模块和谐波提取模块，Clarke变换模块将三相交流电流转换成两相交流电流iα和iβ，谐波提取模块通过傅里叶变换提取三相交流电中的谐波分量，Clark变换公式如下：

Park变换模块将两相交流电流iα和iβ变换成两相旋转电流

其中

其中

给定vα和vβ，经过SVPWM模块获得电机所需的PWM信号，PWM信号驱动IGBT逆变模块输出三相交流电供给三相交流电机，三相交流电机获得三相交流电带动负载进行转动，将电能转换为机械能；谐波提取模块将提取获得的谐波分量输入到模糊自适应模块，获得准确的谐波分量信息，将谐波分量信息输入到谐波PWM补偿信号，输出对应不同谐波分量的PWM信号给SVPWM逆变器，供SVPWM逆变器调整PWM信息的输出，改善三相交流电的电能质量，降低三相交流电机中的谐波分量。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：能够实现快速准确检测谐波电流，并根据不同的谐波分量，采用模糊自适应控制，能够有效降低三相交流系统及三相交流电机中的谐波分量，改善电能质量，提高三相交流系统运行的稳定性，降低三相交流电机的热损耗。

附图说明

图1是本发明提供的快速电流监测装置结构示意图。

图2是本发明提供的三相交流电机谐波抑制控制模型。

具体实施方式

参见图1、2，一种适用于三相交流系统中电机谐波有效抑制方法，首先通过快速电流监测装置快速精确采集三相交流电流信号，通过傅里叶变换提取（谐波提取模块）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，模糊自适应模块通过样本比对，获取准确PWM谐波补偿信号，补偿谐波（输入到谐波PWM补偿模块），经由谐波PWM补偿信号模块输出对应的PWM补偿信息，减小三相交流电机中的谐波电流，同时采集补偿后的三相电流信号，调整补偿度，最终完成谐波补偿，将三相交流电机中的谐波降低到最低，其具体实现步骤如下：

步骤一、通过快速电流监测装置快速监测准确的三相交流电流，快速电流监测装置作为一种快速的电流监测传感器，快速电流监测装置是将一电流采样线圈均匀绕制在一非铁磁线圈骨架上，为了消除外界磁场辐射干扰，在线圈骨架上绕制一圈与电流采样线圈反向的回路线圈（见图1），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电流快速精确采集，其输出信号可表示为

其中，

步骤二、将三相交流电机采集信号进行傅里叶变换，提取三相交流信号中的谐波分量，傅里叶变换后的三相交流电机输入电流信号可表示为：

其中，

步骤三、将三相交流电机输入电流谐波信号输入到模糊自适应模块，模糊自适应模块进行样本比对，获取准确谐波PWM补偿信号，输出到SVPWM模块（SVPWM逆变器驱动模块），SVPWM模块根据PWM谐波补偿信号，输出对应不同谐波分量的PWM信号给SVPWM逆变器，供SVPWM模块调整PWM信息的输出，PWM信号驱动IGBT逆变模块输出三相交流电供给三相交流电机，调整三相交流电PWM信号的输出，改善三相交流电的电能质量，降低三相交流电机三相交流中的谐波分量，其三相交流电机谐波抑制控制模型如图2所示。

Clarke变换模块将电机三相输入电流转换成两相交流电流iα和iβ，公式如下：

Park变换模块将两相交流电流iα和iβ变换成两相旋转电流，公式如下：

已知两相旋转电流与转速估算器计算的转速给定值，经计算获得两相旋转参考电压vd、vq，公式如下：

两相旋转电压vd、vq经Park逆变换模块获得两相交流电压vα和vβ，公式如下：

经过SVPWM模块获得电机所需的PWM信号，PWM信号驱动IGBT逆变模块输出三相交流电供给三相交流电机，三相交流电机获得三相交流电带动负载进行转动，将电能转换为机械能。

上面描述，只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制。