高压双速电动机因其在工业应用中的独特优势而被广泛使用，然而高压双速电动机的谐波问题一直是影响其性能和可靠性的重要因素，谐波不仅会导致电机发热增加、效率降低还会引起电网污染和设备寿命缩短等一系列问题，因此对高压双速电动机的谐波进行深入分析和有效控制具有重要的理论意义和实际应用价值。

一、高压双速电动机谐波产生机理

（一）绕组结构对谐波的影响

高压双速电动机的绕组结构是影响谐波产生的关键因素，由于双速电机需要在不同转速下运行，其定子绕组通常采用达朗德接法或极数变换法等特殊结构，这些复杂的绕组结构不可避免地会引入空间谐波。当电机在低速运行时，由于磁场分布不均匀，会产生显著的槽谐波和端部漏磁通谐波，绕组的节距、分布系数和斜槽因子等参数也会对谐波的幅值和相位产生影响。特别是在高压电机中，由于绕组匝数较多，分布绕组的谐波抑制效果可能会受到限制，绕组的非线性磁化特性和铁芯饱和效应也会导致电流波形畸变，进一步加剧谐波的产生，所以在设计高压双速电动机时需要综合考虑绕组结构对谐波的影响，通过优化绕组布局、选择合适的节距和分布系数以及采用新型绕组技术（如分数槽集中绕组）等方法来最小化谐波的产生。

（二）电源质量与谐波关系

理想情况下，电机应该由纯正弦波电压供电，但实际工业环境中的电源往往存在各种畸变和波动，电网中的非线性负载（如变频器、整流器等）会向系统注入大量谐波电流，导致供电电压波形失真，这些畸变电压作用于电机绕组时会在定子中感应出谐波电流，进而产生附加损耗和转矩脉动，电网的电压波动和三相不平衡也会引起电机的谐波问题。电压波动会造成磁通密度的起伏，而三相不平衡则会产生负序分量，两者都会导致谐波的增加，高压开关操作和雷击等瞬态过程也可能引入高频谐波分量，对于双速电机来说，在切换速度时的瞬态过程更容易引发谐波问题，因此在分析高压双速电动机的谐波特性时必须充分考虑电源质量的影响并采取相应的措施来改善电源质量，如使用无功补偿装置、谐波滤波器等以降低谐波对电机性能的不利影响^[1]。

二、高压双速电动机谐波特性分析

（一）频谱特征分析

高压双速电动机的谐波频谱特征分析是研究其谐波问题的重要方法，通过对电机电流、电压和转矩等信号进行傅里叶变换可以得到这些信号在频域中的表现，典型的高压双速电动机谐波频谱通常包含基波、特征谐波和非特征谐波。基波频率与电源频率一致，而特征谐波的频率则与电机的极对数、槽数和转速等参数相关，非特征谐波则可能由电源畸变、负载波动等外部因素引起，在频谱分析中，我们重点关注谐波的幅值、相位和频率分布，通过比较不同运行状态下的频谱可以识别出主要的谐波成分及其变化规律。例如在低速运行时会出现明显的槽谐波，而在高速运行时则以高次谐波为主，通过分析谐波频谱的时间演变可以研究电机在启动、制动和速度切换等瞬态过程中的谐波特性，频谱分析不仅能够定量评估谐波的严重程度还能为谐波抑制策略的制定提供依据，但是传统的傅里叶分析方法对于非平稳信号的处理能力有限，因此在实际应用中常常需要结合其他高级信号处理技术以获得更全面的频谱特征信息。

（二）时频特性研究

高压双速电动机的谐波时频特性研究旨在揭示谐波在时间和频率两个维度上的动态变化规律，与传统的频谱分析相比，时频分析能够更好地捕捉谐波的瞬态特性和非平稳行为。常用的时频分析方法包括短时傅里叶变换（STFT）、小波变换和Wigner-Ville分布等，STFT通过在不同时间窗口内进行傅里叶变换可以得到谐波随时间的变化情况，但存在时间和频率分辨率难以兼顾的问题，小波变换通过在不同尺度和位置上的基函数分解能够更好地处理非平稳信号，特别适用于分析电机在启动、负载突变和速度切换等过程中的谐波特性^[2]。Wigner-Ville分布则可以提供更高的时频分辨率，但需要注意交叉项的影响，通过时频分析可以直观地观察到谐波频率和幅值随时间的变化趋势，识别出谐波产生的关键时刻和主要频段，这对于理解谐波的产生机理和设计针对性的抑制措施具有重要意义。时频分析还可以用于检测谐波异常，实现电机故障诊断，但是时频分析方法的选择和参数设置需要根据具体问题灵活调整，以在时间局部化和频率分辨率之间取得平衡。

三、高压双速电动机谐波抑制策略

（一）优化绕组设计

合理设计绕组结构能够从源头上减少谐波的产生，可以采用分数槽集中绕组技术，这种绕组结构能够有效减少空间谐波，同时简化了绕组制作过程，提高了绕组的利用率，优化绕组节距和分布系数，显著抑制特定次数的谐波。例如采用5/6节距绕组可以有效抑制5次和7次谐波，还可以考虑使用多层绕组或者非对称绕组结构，这些新型绕组技术能够进一步改善气隙磁场分布，减少高次谐波的影响。在绕组材料选择方面使用高导磁性能的硅钢片和低损耗导线可以减少铁心损耗和铜损，间接降低谐波的产生，对于高压双速电动机需要特别注意绝缘设计，确保在高压和频繁切换速度的条件下，绕组能够长期可靠运行。

（二）改进控制策略

改进控制策略是抑制高压双速电动机谐波的关键措施，可以采用先进的变频控制技术，如空间矢量脉宽调制（SVPWM）或选择性谐波消除（SHE）等方法，这些技术能够显著改善输出电压波形，减少低次谐波的产生。通过优化切换策略可以减少速度切换过程中的谐波冲击，例如采用软切换技术，在切换速度时逐步调整电压和频率可以有效抑制瞬态谐波。实施闭环控制系统，如基于模型预测控制（MPC）或直接转矩控制（DTC）的方法能够实时补偿谐波扰动，提高系统的动态响应性能，对于负载波动引起的谐波可以引入负载观测器和前馈控制，提前预测和补偿负载变化带来的谐波影响^[3]。

（三）应用主动滤波器

对于高压双速电动机，通常采用并联型主动滤波器，它可以灵活应对不同运行状态下的谐波变化，主动滤波器的核心包括功率电路和控制系统，功率电路通常由电压源逆变器构成，控制系统则负责谐波检测、补偿电流计算和PWM控制等功能，谐波检测方法包括傅里叶分析法、瞬时无功功率理论和同步参考坐标变换法等。在补偿策略方面可以采用选择性谐波补偿或全谱补偿，根据实际需求进行选择，为了提高主动滤波器的性能可以采用先进的控制算法如自适应控制、模糊控制或神经网络控制等，考虑到高压系统的特殊性，在设计主动滤波器时需要特别注意绝缘协调和过电压保护，对于大功率系统可以采用多模块并联的方式提高系统的可靠性和功率容量。

结论

本研究深入探讨了高压双速电动机的谐波问题，通过先进的信号处理技术，我们揭示了谐波的时频特征，为精确控制提供了理论基础，优化绕组设计、改进控制策略和应用主动滤波器等措施的有效性得到了实验验证，这些研究成果不仅有助于提高高压双速电动机的性能和可靠性，也为相关领域的技术创新提供了新的思路，未来研究将进一步探索智能化谐波管理系统以适应工业4.0时代的需求。

参考文献

[1]王延波.笼型转子三相感应电动机电磁解析模型及谐波分析[D].哈尔滨理工大学,2023.

[2]代斌.基于谐波分析的电机故障在线监测系统[D].安徽理工大学,2021.

[3]曾令华,程亮,张靖宗.交流变频调速系统仿真建模及谐波特性分析[J].发电技术,2019,40(03):294-299.