史超然，張會林，張　松，金焱飛，李榮偉

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

PWM電機驅(qū)動系統(tǒng)的諧波抑制

史超然，張會林，張松，金焱飛，李榮偉

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

摘要針對如何提高電機運行的平穩(wěn)性和減少因諧波所帶來的振動和噪聲，設(shè)計了一種安裝在PWM逆變器輸出端的RLC濾波器，經(jīng)過優(yōu)化的RLC濾波器使電機端的高次諧波含量明顯降低，電壓、電流脈動現(xiàn)象得到了較好地抑制，并在Matlab/Simulink平臺上進行仿真實驗，驗證了文中所設(shè)計濾波器的有效性和可靠性。

關(guān)鍵詞無刷直流電機；PWM變頻調(diào)速；諧波；RLC濾波器

與普通直流電機相比，無刷直流電機采用位置傳感器和換相電路代替了傳統(tǒng)的碳刷和換向環(huán)機械換向裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，適應(yīng)性強等優(yōu)點。諸多優(yōu)點和優(yōu)異的調(diào)速性能讓無刷直流電機的應(yīng)用廣泛。PWM變頻調(diào)速是無刷直流電機常用的調(diào)速方法，而其核心控制方式依然是電壓型PWM技術(shù)[1]。而PWM逆變器輸出的電壓波形中諧波的存在，會使電機產(chǎn)生附加損耗，降低功率因數(shù)，大量的諧波還會使電機繞組過熱，破壞電機繞組的絕緣性縮短電機的使用壽命[2]。為了降低諧波含量，節(jié)能降耗，本文對PWM控制的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)進行仿真和諧波分析，設(shè)計了一種安裝在PWM逆變器輸出端的濾波器。

1諧波分析

在PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)中PWM逆變器是該調(diào)速系統(tǒng)的核心硬件[3]。PWM逆變器中在功率晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生陡上升沿或下降沿的脈沖電壓，按時域的觀點分析，脈沖電壓的電壓上升率(dv/dt)很高，容易破壞電機繞組間的絕緣。按照頻域的觀點分析,高次諧波在電纜中是以波的形式傳播的，隨著電纜長度的增加，在電機接線端子上將產(chǎn)生高頻振蕩的過電壓，引起電機局部放電現(xiàn)象[4]。所以，治理諧波的關(guān)鍵就是濾除PWM逆變器所產(chǎn)生的高次諧波。

為確定諧波的分布規(guī)律，本文通過對電壓型PWM逆變電路作大量的仿真分析，總結(jié)出諧波的分布規(guī)律，諧波分量集中分布在以載波頻率的整數(shù)倍為中心的周圍，且載波頻率越高，電流波形的平滑性越好，高次諧波含量也越少。但過高的載波頻率使逆變器的開關(guān)損耗也隨之增加，不利于功率模塊安全、可靠、長期的運行。文中的仿真模型中PWM逆變器的負載為無刷直流電機，將等效載波頻率設(shè)置為3 kHz，則每個元器件的開關(guān)頻率就為500 Hz。所以，應(yīng)在逆變器的輸出端加裝設(shè)計合理的低通濾波器過濾高次諧波。

2低通濾波器的設(shè)計

RLC濾波器是是目前最常用濾波方式，與有源濾波器相比，RLC濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝維護等優(yōu)點，且目前針對PWM逆變器輸出諧波的抑制方法較少，使用有源濾波器作為其輸出濾波器的技術(shù)仍不成熟，所以文中采用無源濾波的方式濾除高次諧波，通過對RLC濾波器參數(shù)的合理設(shè)置，將其作為PWM逆變器的輸出濾波器[5]。

圖1　有濾波器時的系統(tǒng)模型

圖2　有濾波器時的單相等效電路

為簡化分析過程，文中不考慮電纜參數(shù)對調(diào)速系統(tǒng)的影響。簡化后的系統(tǒng)模型如圖1所示，在逆變器的輸出端加裝了RLC無源濾波器，濾波器中電阻可限制上電瞬間電容的充電電流，防止電容器被擊穿，同時還起到阻尼作用，抑制諧振的產(chǎn)生；電感抑制了逆變器輸出的高次諧波的通過；電容則為逆變器輸出的高次諧波提供了旁路，電感和電容共同作用減小了逆變器輸出端脈沖電壓上升率(dv/dt)的同時也降低了電動機端子的過電壓[6]。為方便計算RLC濾波器參數(shù)，建立該系統(tǒng)模型的等效電路圖如圖2所示。逆變器的諧振頻率和電動機端的諧振頻率為

(1)

(2)

為保證基波電壓和基波電流能順利通過應(yīng)使f>f1,為保證在載波頻率fc附近的濾波效果同時為避免發(fā)生諧振應(yīng)使f<0.5fc[7]。從逆變器輸出端看總的輸入阻抗Zin為

Zin=jwL+Zrc//Z0

(3)

其中，Zrc=1/jwC+R是濾波器電容和電阻支路的阻抗；Z0為電動機等效電感和電阻的總阻抗進而可求得各H參數(shù)的表達式

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

文中RLC低通濾波器的濾波效果集中體現(xiàn)在能否濾除在載波頻率附近的高次諧波，在載波頻率附近時，將式(7)～(10)進一步化簡可得

(11)

由式(11)可知，隨著頻率w的增大，|Z|增大，|H21|、|Hp|減小，|H11|不變，說明高頻電壓已經(jīng)被成功濾除，但是高頻電流卻被放大了L0/L倍，而針對某一特定頻率諧波的有功損耗則與R/L2成正比，經(jīng)過RLC低通濾波器過濾后雖電壓諧波分量被濾除，但電流諧波分量卻增加了，所以應(yīng)對RLC濾波器進一步優(yōu)化。

RLC濾波器的主要作用是延長脈沖電壓的上升時間，為進優(yōu)化濾波器的濾波效果，應(yīng)進一步延長上升時間，使dv/dt進一步減小，優(yōu)化逆變器輸出波形，理論上增大濾波器電感的值，可改善輸出電流波形，減小高頻電流諧波含量，同時電感值的增大還可降低諧波的有功損耗，但在電機驅(qū)動系統(tǒng)中作為PWM逆變器的輸出濾波器必須考慮諧振、功率因數(shù)和基波壓降等問題，同時還應(yīng)考慮電動機端的過電壓最大超調(diào)量對脈沖電壓上升時間的影響[8]。為使文中仿真模型的物理意義更加明晰，同時也進一步修正RLC濾波器各元器件參數(shù)，使濾波器的優(yōu)化改良成為可能，在綜合考慮各方面因素和仿真數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得出以結(jié)論

R≈0.05R

(12)

濾波器電阻和電容為高頻諧波提供了旁路，并與負載構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，所以電阻的阻值應(yīng)盡量小，以防止大量高頻諧波通過負載[9]。

(13)

L≈0.05L0

(14)

在濾波器的設(shè)計中容量小的電容過濾高頻諧波的效果更好，而電感的取值也不宜過大，因電感的儲能會影響電機的制動和調(diào)速性能，所以應(yīng)在保證濾波效果和截止頻率的基礎(chǔ)上，使電容和電感的值盡量小。

圖3　PWM電機驅(qū)動系統(tǒng)

3仿真分析

為驗證所設(shè)計濾波器的合理性，文中搭建了PWM電機驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型如圖3所示，仿真參數(shù)具體設(shè)置為：載波頻率fc=3 kHz，電動機定子每相繞組的電阻電感R0=3.57 Ω，L0=0.008 35 H，極對數(shù)p=2，轉(zhuǎn)動慣量J=0.007 kg·m2，直流母線電壓300 V，仿真時間設(shè)置為0.4 s，電動機的啟動負載設(shè)置為0.5 N·m，負載在0.1 s時變?yōu)? N·m，將啟動轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 500 r/min，在0.2 s時，將轉(zhuǎn)速在變化為1 700 r/min。

該系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方式，使電機獲得更高的動態(tài)性能，該驅(qū)動系統(tǒng)的主電路由直流電源、PWM逆變器、無源濾波器、永磁同步電機，控制系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速給定模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊組成[10]。

作為PWM逆變器輸出端濾波器的RLC低通濾波器模塊由無源器件電阻、電感、電容組成，根據(jù)式(12)～式(14)計算得到濾波器的參數(shù)：R=200 mΩ，C=30 μF，L=500 μH。

圖4(a)為無濾波器時電機端電壓仿真波形，可見在功率晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間出現(xiàn)了脈沖電壓，會使電動機端出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象；圖4(b)為有濾波器后電機端電壓傳真波形，可見高次諧波經(jīng)過RLC低通濾波器后被成功濾除，電壓超調(diào)量被有效降低，電壓波形也趨于平整。

圖5(a)為無濾波器時無刷直流電機三相定子a相電流，因為采用PWM脈寬調(diào)制策略，所以在功率晶體管導(dǎo)通期間會有電流脈動，電流脈動可能導(dǎo)致電動機振動、過熱、轉(zhuǎn)距脈動等異常情況的發(fā)生；圖5(b)為有RLC濾波器時三相定子a相電流，可見由于RLC低通濾波器的過濾作用使電機端的高次諧波含量明顯降低，電流脈動現(xiàn)象得到了良好的抑制。

圖4　電機端電壓仿真波形

圖5　定子a相電流波形

4結(jié)束語

本文針對用于電機驅(qū)動系統(tǒng)的PWM逆變器輸出端高次諧波的問題，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便的RLC低通濾波器。通過對高次諧波分布特點的分析合理設(shè)置了濾波器各元件參數(shù)，仿真實驗結(jié)果說明文中所設(shè)計濾波對高次電壓諧波和電流諧波能起到良好的抑制作用。

參考文獻

[1]吳洪洋,何湘寧.多電平載波PWM法與SVPWM法之間的本質(zhì)聯(lián)系及其應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報,2002,22(5):10-20.

[2]Kirlin R L ,Bech M M,Trzynadlowski A M .Analysis of

power of power spectral density in PWM inverters with randomized switching frequency[J].IEEE Transactions on Industry Electronics,2002,49(2):486-497.

[3]馬豐民,吳正國,李玉梅.隨機頻率PWM逆變器的分析設(shè)計[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(15):67-70.

[4]萬健如,林志強,禹華軍,等.高頻PWM脈沖波傳輸引起電機端子過電壓的研究[J].中國電機工程學(xué)報,2001,21(11):43-47.

[5]Salomaki J , Hinkkanen M , Luomi J . Influence of inverter output filter on the selection of PWM technique[C].Montreal: IEEE Conference on International Symposium Industrial Electronics,2006.

[6]Annette von Jouanne,Prasad N. Design considerations for an inverter output filter to mitigate the effects of long motor leads in ASD applications[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1997,33(5):1140-1145.

[7]周明磊,游小杰,王琛琛,等.特定次諧波消除調(diào)制方式的諧波特性分析[J].電工技術(shù)學(xué)報,2013,27(9):76-82.

[8]佟為明,李可敬,翟國富,等.SPWM電壓源逆變器變壓變頻過程的諧波分析[J].電力電子技術(shù),1995,29(3):47-51.

[9]楊莉莎,陳堅.電力變換和控制技術(shù)導(dǎo)論[J].通信電源技術(shù),2000(4):1-6.

[10]費萬民,呂征宇,姚文熙.多電平逆變器特定諧波消除脈寬調(diào)制方法的仿真研究[J].中國電機工程學(xué)報,2004,24(1):104-106.

Harmonic Suppression of PWM Motor Drive System

SHI Chaoran，ZHANG Huilin，ZHANG Song，JIN Yanfei，LI Rongwei

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093, China)

AbstractBased on the analysis and research of the PWM variable frequency speed regulating system of brushless DC motor, this paper introduces a new kind of RLC filter which can be installed on the PWM inverter output end to improve running stability of the motorand reduce vibration and noise brought by the harmonic. After optimization of RLC filter makes the motor end higher harmonic content is significantly reduced, voltage, current pulsation phenomenon is suppressed, and the simulation results in Matlab/Simulink platform, verify the validity and reliability of the designed filter in this paper.

Keywordsbrushless dc motor; PWM variable frequency speed regulating system; harmonic; RLC filter

收稿日期:2015-10-23

基金項目:滬江基金資助項目(B1402/D1402)

作者簡介:史超然(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.032

中圖分類號TN713+.1；TM33

文獻標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)06-110-04