CN103268764B - 一种基于空间有源消声的变流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间有源消声的变流装置，包括柜体；柜体内设有电力电子器件和有源消声装置；有源消声装置包括器件噪声探测单元、信号处理单元和器件声波发生单元。本发明针对电力电子变流器工作时在一定空间内所产生的噪声，通过二次消声和负反馈的控制方法抵消噪声，可以有效地减少该噪声对于一定三维空间之外的影响，为人们营造安静的工作生活环境。且本发明通过有效地消除电力电子器件所产生的噪声，降低了噪声对于电力电子器件和电抗器工作性能的影响，延长了电力电子变流的工作寿命。

Description

一种基于空间有源消声的变流装置

技术领域

本发明属于电力电子器件消声技术领域，具体涉及一种基于空间有源消声的变流装置。

背景技术

噪声作为环境污染的第三大公害，一直困扰着人们。一方面，它对人的身体健康和心理健康造成危害，如听力受损、器官病变、情绪暴躁等。另一方面,它也将导致机械设备和工业结构的声疲劳，缩减它们的使用寿命，甚至造成事故。因此有效的控制和消除噪声对于人们的健康和生产安全具有非常重要的意义。

有源消声技术（ActiveNoiseControl，ANC）就是根据两个声波相消性干涉或声辐射抑制的原理，通过抵消声源（次级声源）产生与被抵消声源（初级声源）的声波大小相等、相位相反的声波辐射，相互抵消，从而达到降低噪声的目的。有源消声的概念最初是由德国人PauILueg提出，1934年申请专利，1936年撰文阐明其基本原理，受限于电子技术以及消声理论的落后，因此该技术长期得不到发展。直到60年代末，随着电子技术的发展以及对有源消声器理论方面的探索，ANC的研究才又重新兴起，在国内外均得到了发展，并已开始逐渐地用于实践。

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）和电抗器等对电能进行变换和控制的技术。自1957年美国通用电气公司研究出第一个晶闸管以来，电力电子变流器性能的不断改进，电力电子变流技术得到了迅猛的发展，并且深深地影响了工业生产和人们日常生活。由于具有高效率、可控、高频率等特性，电力电子变流器被广泛地应用于与电相关的各行各业。但是在其工作过程中会产生许多噪声，如IGBT在开通与关断的过程中会产生噪声、电抗器在通入高频交流电时，硅钢片由于有磁滞效应，也会产生大量的噪声，这些噪声对电力电子器件本身的性能和工作人员的身体健康都造成了巨大的影响。

目前，针对电力电子器件产生的噪声，主要有改善器件本身的结构与材料和增加固体隔音装置两种消声方式，两者都起到了一定的效果。

公开号为CN2794035的中国专利提出了一种IGBT噪声去除电路，其通过修正IGBT器件及其外部电路的连接方式来减少IGBT器件所产生的噪声，但是改善器件本身的结构与材料，往往是非常复杂且改造昂贵；公开号为CN1972120的中国专利提出了一种超轻吸声材料，增加固体隔音装置可以达到一定的消声效果，但是隔音材料往往仅能消除一定频段内的噪声，例如对于高频噪声有非常好的抑制作用，但是对于中低频噪声的抑制效果则不明显，而且，增加固体隔音装置会使电力电子变流器散热效果变差。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于空间有源消声的变流装置，在空间内能够有效地减少了电力电子器件所产生噪声的传播。

一种基于空间有源消声的变流装置，包括柜体，所述的柜体内设有电力电子器件和有源消声装置；所述的有源消声装置包括：

器件噪声探测单元，用于采集电力电子器件的噪声信号；

信号处理单元，用于对所述的噪声信号进行FFT（快速傅里叶变换），得到噪声信号的频谱；根据所述的频谱将噪声信号的基波以及各次谐波进行反相及放大处理；

器件声波发生单元，用于根据信号处理单元处理过后输出的基波以及各次谐波，产生与噪声信号相抵消的声波。

所述的信号处理单元包括：

FFT变换模块，用于对噪声信号进行FFT，得到噪声信号的频谱；

反相处理模块，用于根据频谱将噪声信号的基波以及各次谐波进行反相处理；

放大模块，用于对反相处理过后的基波及各次谐波进行放大后输出。

优选地，所述的柜体的进风口处和出风口处均设置误差噪声探测单元；所述的误差噪声探测单元用于采集进风口处或出风口处的噪声信号，并将噪声信号发送给信号处理单元，由信号处理单元对噪声信号进行FFT、反相及放大处理，最后由器件声波发生单元根据处理过后的噪声信号产生与噪声信号相抵消的声波。通过器件噪声探测单元和误差噪声探测单元的配合，采用负反馈的调节方式，可以对噪声信号进行二次消声处理，将电力电子器件所产生的噪声控制在一定的三维空间内，充分达到有源消声的目的。

优选地，所述的柜体内设有电抗器、电抗噪声探测单元和电抗声波发生单元；所述的电抗噪声探测单元用于采集电抗器的噪声信号，并将噪声信号发送给信号处理单元，由信号处理单元对噪声信号进行FFT、反相及放大处理，最后由电抗声波发生单元根据处理过后的噪声信号产生与噪声信号相抵消的声波。能够消除由电抗器产生的噪声信号。

所述的器件噪声探测单元和器件声波发生单元设于电力电子器件的周边，所述的电抗噪声探测单元和电抗声波发生单元设于电抗器的周边。

所述的器件噪声探测单元、误差噪声探测单元和电抗噪声探测单元采用声信号传感器。

所述的器件声波发生单元和电抗声波发生单元采用扬声器。

所述的信号处理单元采用DSP。

本发明变流装置采用二次消声负反馈调节的控制方法，将该有源消声技术应用于三维空间的消声，有效地消除了电力电子器件工作时所产生的噪声。

电力电子变流器在工作时会产生噪声，这些噪声在一定的三维空间内传播。噪声探测单元放置于电力电子器件和电抗器噪声源的周边，可直接检测到电力电子器件和电抗所发出的噪声，并将检测的噪声信号发送至信号处理单元，信号处理单元对输入的噪声信号进行运算与分析，计算出噪声信号的频谱，并产生与其频率相同、幅值相等且相位相反的信号，进而对该信号进行放大后输出至声波发生单元，从而生成与噪声相抵消的声波。声波发生单元也放置于电力电子器件和电抗器的周边，这样有利于其发出的声波与噪声充分混合，从而消除噪声。混合后的声波主要集中从柜体的进出风口传输至柜体外部，因此在的进出风口处放置误差噪声检测器，用于检测混合消声后的误差噪声，并将检测的噪声信号反馈至信号处理单元中进行相应处理，对前述的声波进行修正，直至噪声信号检测的噪声为零。通过器件噪声检测模块和误差噪声检测模块的配合，采用负反馈的调节方式，可以对噪声信号进行二次消声处理，将电力电子器件所产生的噪声控制在一定的三维空间内，充分达到有源消声的目的。

本发明的有益技术效果为：

（1）本发明针对电力电子变流器工作时在一定空间内所产生的噪声，通过二次消声和负反馈的控制方法抵消噪声，可以有效地减少该噪声对于一定三维空间之外的影响，为人们营造安静的工作生活环境。

（2）本发明采用高性能的数字信号处理器作为信号处理单元，可实时计算分析电力电子变流器所产生噪声的频谱与幅值，再通过声波发生单元产生与原始噪声反相位的声音，实现噪声的全频谱有源消声，克服了其他方法只能消除特定频段内噪声的缺陷。

（3）本发明通过有效地消除电力电子器件所产生的噪声，降低了噪声对于电力电子器件和电抗器工作性能的影响，延长了电力电子变流的工作寿命。

附图说明

图1为本发明变流装置的结构示意图。

图2为信号处理单元的结构示意图。

图3为噪声信号的频谱图。

图4为噪声声波及其反相声波的波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种基于空间有源消声的变流装置，包括柜体，柜体内设有IGBT组件、电抗器组件和有源消声装置；有源消声装置包括器件噪声探测单元、误差噪声探测单元、电抗噪声探测单元、信号处理单元、器件声波发生单元和电抗声波发生单元；其中：

器件噪声探测单元用于采集IGBT组件的噪声信号，其设于IGBT组件周边；电抗噪声探测单元用于采集电抗器组件的噪声信号，其设于电抗器组件周边；误差噪声探测单元用于采集进风口处和出风口处的噪声信号，其设于柜体进风口处和出风口处；本实施方式中，器件噪声探测单元、误差噪声探测单元和电抗噪声探测单元均采用SSA51-SY006型的声信号传感器。

信号处理单元用于对噪声信号进行FFT，得到噪声信号的频谱；根据频谱将噪声信号的基波以及各次谐波进行反相及放大处理；本实施方式中，信号处理单元采用TI公司的TMS320F2812型号的DSP，其内部加载有FFT变换模块、反相处理模块和放大模块，如图2所示；其中：FFT变换模块用于对噪声信号进行FFT，得到噪声信号的频谱；反相处理模块用于根据频谱将噪声信号的基波以及各次谐波进行反相处理；放大模块用于对反相处理过后的基波及各次谐波进行放大后输出。

器件声波发生单元用于根据IGBT组件的噪声信号经信号处理单元处理过后输出的基波以及各次谐波，产生与噪声信号相抵消的声波，其设于IGBT组件周边；电抗声波发生单元用于根据电抗器组件的噪声信号经信号处理单元处理过后输出的基波以及各次谐波，产生与噪声信号相抵消的声波，其设于组件周边；本实施方式中，器件声波发生单元和电抗声波发生单元均采用扬声器（Ф23/8Ω/1.5W）。

本实施方式中，器件噪声探测单元放置于IGBT组件噪声源的周边，可直接检测到IGBT组件所发出的原始噪声，并将检测的原始噪声信号发送至DSP处理单元，DSP处理单元对输入的原始噪声进行运算与分析，计算出噪声声波的频谱，实验中的噪声频谱如图3所示。

取该噪声频谱中某一特定频率的频谱做分析计算；如图4所示，引入一个与原噪声声波（初级声波）幅值大小相等而相位相反的次级声波，使其与原来的噪声在一定区域内相互抵消，从而降低噪声设初级信号为：

P_P(x,t)＝Acos(ωt-kx)

其中：ω、A、x分别为角频率，振幅，波数，声传播距离。

平均声势能密度为：

$E_{P_P}=\frac{{{\stackrel{\‾}{P}}_P}^2}{{\mathrm{\ρc}}^2}=\frac{A^2}{{2\mathrm{\ρc}}^2}$

其中：ρ、c分别表示初级声场的平均声压，密度，声速。

加上一个满足上述的相干信号：

P_S(x,t)＝αAcos(ωt-kx+β)

其中：α、β分别表示次级声波的幅度和初相位。

叠加后的声场总的声势能密度：

$E=\frac{{(P_P+P_S)}^2}{{\mathrm{\ρc}}^2}=\frac{A^2}{{2\mathrm{\ρc}}^2}(1+2\mathrm{\α}\cos +{\mathrm{\α}}^2{\cos }^2\mathrm{\β})$

当α=1（振幅相等）时，上式可变为：

$E=\frac{A^2}{{2\mathrm{\ρc}}^2}\left({2\cos }^2\frac{\mathrm{\β}}{2}\right)$

以上计算表明，通过DSP处理单元的计算和分析，可以产生与噪声信号频率相同、幅值相等而相位相反的声波信号，经放大后，输出至声波发生单元。声波发生单元也放置于IGBT器件的周边位置，这样有利于其发出的声波与噪声声波充分混合，从而消除噪声声波。混合后的声波主要集中从进出风口传输至三维空间外部，因此在进出风口处放置误差噪声探测单元，用于检测混合消声后的误差噪声，并将检测的误差噪声信号反馈至DSP处理单元，DSP处理单元对误差噪声信号进行计算分析后，对前述的反相声波进行修正，直至误差噪声为零。

故本实施方式通过器件噪声检测模块和误差噪声检测模块的配合，采用负反馈的调节方式，可以对噪声信号进行二次消声处理，将电力电子器件所产生的噪声控制在一定的三维空间内，充分达到有源消声的目的。

Claims (4)

1.一种基于空间有源消声的变流装置，包括柜体；其特征在于：所述的柜体内设有电力电子器件和有源消声装置；所述的有源消声装置包括：

器件噪声探测单元，用于采集电力电子器件的噪声信号；

信号处理单元，用于对所述的噪声信号进行FFT，得到噪声信号的频谱；根据所述的频谱将噪声信号的基波以及各次谐波进行反相及放大处理；

器件声波发生单元，用于根据信号处理单元处理过后输出的基波以及各次谐波，产生与噪声信号相抵消的声波；

所述的信号处理单元包括：

FFT变换模块，用于对噪声信号进行FFT，得到噪声信号的频谱；

反相处理模块，用于根据频谱将噪声信号的基波以及各次谐波进行反相处理；

放大模块，用于对反相处理过后的基波及各次谐波进行放大后输出；

所述的柜体的进风口处和出风口处均设置误差噪声探测单元；所述的误差噪声探测单元用于采集进风口处或出风口处的噪声信号，并将噪声信号发送给信号处理单元，由信号处理单元对噪声信号进行FFT、反相及放大处理，最后由器件声波发生单元根据处理过后的噪声信号产生与噪声信号相抵消的声波；

所述的柜体内设有电抗器、电抗噪声探测单元和电抗声波发生单元；所述的电抗噪声探测单元用于采集电抗器的噪声信号，并将噪声信号发送给信号处理单元，由信号处理单元对噪声信号进行FFT、反相及放大处理，最后由电抗声波发生单元根据处理过后的噪声信号产生与噪声信号相抵消的声波；

所述的器件噪声探测单元和器件声波发生单元设于电力电子器件的周边，所述的电抗噪声探测单元和电抗声波发生单元设于电抗器的周边。

2.根据权利要求1所述的变流装置，其特征在于：所述的器件噪声探测单元和电抗噪声探测单元采用声信号传感器。

3.根据权利要求1所述的变流装置，其特征在于：所述的器件声波发生单元和电抗声波发生单元采用扬声器。

4.根据权利要求1所述的变流装置，其特征在于：所述的信号处理单元采用DSP。