[科普中国]-谐波转矩

在交流电机的定子绕组中流过谐波电流时会产生谐波转速的谐波旋转磁场和相应的电磁转矩，所有的正序谐波都将产生正方向的电磁转矩，有助于转子的旋转，而负序谐波的作用则正相反。

基本介绍谐波电流的存在，使电动机产生附加的谐波损耗，也使电动机产生附加的谐波转矩，给电动机运行带来一定的影响。谐波转矩可分为稳定谐波转矩和脉动谐波转矩两种，分述于下。

稳定谐波转矩这种附加转矩由谐波气隙磁通与转子同次数的谐波电流相作用而产生，K次谐波转矩为

因为K次谐波转差率

由于基波 较小，可以略去，故

代入式(1)得

式中： ——基波频率；

——转子电流；

——折算后转子电阻；

——极对数。

在式(3)中，对 ，用 为正号，为正转矩；对 ，用 为负号，为反转矩。

此种稳定谐波转矩一般很小，例如1.5kW电动机在50Hz，6阶梯波运行时，5 次谐波转矩只为基波转矩的0.125%，更高次则更小。同时有些转矩，例如5次负转矩和7次正转矩抵消后只余下很小的负转矩，因此各次谐波转矩合成后基本相互抵消，故稳定谐波转矩对基波转矩影响很微1。

脉动谐波转矩由次数不同的谐波气隙磁通和转子谐波电流相互作用所产生的转矩称为脉动谐波转矩，也包括了基波气隙磁通和各次谐波转子电流相作用所产生的转矩。由于不同次数谐波磁通与转子谐波电流产生的转矩很小，可忽略不计，故一般只计及基波气隙磁通与各次谐波转子电流所产生的脉动转矩，其中最大的依次为5、7、11和13 次。

基波气隙磁通与5、7、11、13 次谐波转子电流作用的转矩为

式中：P——极对数；

——基波角频率；

——基波磁通所感应的转子电势；

——5~13次转子谐波电流；

—— 时两个函数的相角差。

式(4)~式(7)表明，5、7次脉动谐波转矩为 的函数，11、13次脉动转矩为 的函数。同理可推出17、19次为 的函数，而任一次脉动转矩的频率为逆变器工作频率即基波频率 的6K倍(K=1，2，3…)。

脉动谐波转矩为一余弦函数，其方向正半周为正，负半周为负，故使电动机转矩产生了脉动成分。但因总脉动转矩最大不超过满载时基波转矩10%，故对基波转矩影响仍不大，不过当传动系统机械部分的固有振动频率(50~200Hz)与脉动转矩频率一致时，由于共振放大，就可能产生强烈的振动，对设备造成危害，这种共振现象常发生于逆变器频率30Hz以下(也有超过30Hz的)，故称为低频转矩脉动效应。

消除输出谐波影响的对策消除输出谐波影响积极的方法是采用输出谐波小的变频器，如SPWM、SVPWM等变频器；也可以使用电抗器、滤波器，减少谐波电流产生的不良影响。在选择插入电路的电抗器的容量时，也应使电抗器上的电压降在负载的额定电压2%~5%的范围之内。而当插入电压降在5%的电抗器时，可以使高次谐波的含有率得到30%的改善。此外对振动、过热、噪声等影响采取一些有效的具体措施。

振动的对策如上所述，谐波电流会使电动机转矩产生脉动，对一般负载，这样大小的脉动转矩影响不大。但如果电动机要求在低速下运行时，有可能导致转速不均匀。低阶次(5次，7次)的高次谐波成分所产生的脉动转矩将给变频器的转矩输出带来较大的波动。对风机和水泵等泵类负载，如果在调速范围内，某个机械部件的固有振荡频率和脉动转矩的频率一致，就会共振而产生故障。因此有必要在事先作出转矩分析，避免上述情况发生。

生产机械可能产生谐振的构件有：①带内部冷却叶片的主轴；②风机和水泵的叶轮和叶片；③大的平板形外罩、壳体等。防止方法主要是加强连接刚度、提高强度和采用阻尼装置，如橡皮垫、弹性连接等。最有效的防止对策还是在变频器采用SPWM、SVPWM等调制策略，减少谐波输出，必要时在连接电动机线路中插入滤波器。

总的来说，在采用变频器对电动机进行调速控制时，应该事先对机械系统的共振频率进行检查，并在必要时利用变频器的频率跳越功能避开这些共振频率。此外，当机械系统发生振动时，还应该根据图1判断产生振动的原因，以便采取切实有效的措施。如前所述，至于传动系统运行频率范围超过30Hz以上，则无须考虑低频转矩脉动效应问题。

噪声的对策电动机产生噪声的根源是由于从变频器流人电流中的谐波，导致电动机绕组和铁心产生振动和磁噪声，与采用电网电源直接驱动相比，这种噪声要大5~10dB。PWM控制的变频器，当降低输出频率时，虽然电动机的冷却风扇产生的风音和轴承等产生的机械噪声会有一定程度的减少，但由于电流高次谐波成分的增大产生的电磁噪声并不会减少。电动机的冷却风机因制造不良，也会产生噪声。总之，大的噪声会影响工作人员的情绪，妨碍人们的交谈以至影响生产。

降低噪声的对策主要是采用谐波小的变频器，或在连接电路串入电抗器以抑制谐波，对电动机而言，要进行妥善设计和制造，如降低磁场密度，采用铸铁外壳和采用低噪声的冷却风扇等。

过热的对策标准电动机由于附加谐波电流的损耗，会产生超过允许温升的过热，解决的办法有：①选择容量较大的电动机；②选择输出谐波较小的变频器；③对电动机采用强迫通风或水冷却1。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学