CN108540041B - 消除h桥驱动的双三相电机pwm噪声的电路拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种消除H桥驱动的双三相电机PWM噪声的电路拓扑，所述电路拓扑包含六个相同的电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3、VSI4、VSI5和VSI6、一个双三相电机M以及三个相同的耦合电感La、Lb、Lc。本发明利用耦合电感将双三相电机驱动器或者电力逆变器输出相电压中的PWM谐波消除。本发明提供的新型拓扑不仅保持了传统电路拓扑动态相应快的优点，还能够有效地降低PWM频率的电压、电流谐波，消除电机PWM频率的电磁振动，大幅度减小电力逆变器的输出滤波器的体积，具有极高的应用价值与经济价值。

Description

消除H桥驱动的双三相电机PWM噪声的电路拓扑
技术领域
本发明涉及一种双三相电机驱动拓扑，具体涉及一种消除H桥驱动的双三相电机PWM噪声的电路拓扑，用于H桥驱动的双三相电机或者电力逆变器。
背景技术
传统的H桥驱动的电机驱动器或者电力逆变器一般采用SPWM策略对母线电压进行调制，从而得到三相交流电压。其产生的相电压中含有大量的谐波，其中的谐波主要集中在PWM频率以及其整数倍频率附近。例如，当PWM频率为10.0 kHz时，其相电压谐波主要集中于10.0 kHz、20.0 kHz、30.0 kHz、40.0 kHz附近。相电压输入电机会产生相应的电流，电流会在电机上激发出对应频率的振动与噪声。当PWM频率在10.0 kHz附近时，采用SPWM策略会使得电机产生人耳可闻的噪声。
现有的电机系统或者并网逆变器一般不具备PWM噪声抑制能力。常见的方法是提高PWM频率和采用LC滤波器。提高PWM频率会明显增加逆变器的开关损耗，这种方法在大功率和对发热有要求的场合并不适用。采用传统LC滤波器消除PWM频率的噪声，主要存在以下三个缺点：
（1）LC滤波器的电感需要通过电机的额定电流。为了防止电感饱和，电感铁心的体积巨大。这样，使得LC滤波器的重量与成本大幅度增加。
（2）LC滤波器的引入也使得电机控制系统的阶数升高，电机电流的控制特性变差，系统的动态性能降低。
（3）LC滤波器本身的电感与电容会给增加线路的阻抗，使得系统的损耗增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种消除H桥驱动的双三相电机PWM噪声的电路拓扑，利用耦合电感将双三相电机驱动器或者电力逆变器输出相电压中的PWM谐波消除。本发明能够有效地消除电机PWM频率的电磁振动，大幅度减小电力逆变器输出滤波器的体积，具有极高的应用价值与经济价值。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种消除H桥驱动的双三相电机PWM噪声的电路拓扑，包含六个相同的电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3、VSI4、VSI5和VSI6、一个双三相电机M以及三个相同的耦合电感La、Lb、Lc，其中：
所述耦合电感La、Lb、Lc均由铁芯、两个匝数相同的第一线圈和第二线圈构成，同一铁芯上缠绕两个匝数相同的第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈的缠绕方向相反，但不限于此种缠绕方式，具体缠绕方式和耦合电感的接线方式相关；
所述六个电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3、VSI4、VSI5和VSI6并联在同一母线DC_link上；
所述电压源逆变器VSI1的输出端A1和耦合电感La第一线圈的输入端相连，输出端B1和双三相电机M中的输出端y1相连；
所述电压源逆变器VSI2的输出端A2和耦合电感La第二线圈的输入端相连，输出端B2和双三相电机M中的输出端y2相连；
所述电压源逆变器VSI3的输出端A3和耦合电感Lb第一线圈的输入端相连，输出端B3和双三相电机M中的输出端y3相连；
所述电压源逆变器VSI4的输出端A4和耦合电感Lb第二线圈的输入端相连，输出端B4和双三相电机M中的输出端y4相连；
所述电压源逆变器VSI5的输出端A5和耦合电感Lc第一线圈的输入端相连，输出端B5和双三相电机M中的输出端y5相连；
所述电压源逆变器VSI6的输出端A6和耦合电感Lc第二线圈的输入端相连，输出端B6和双三相电机M中的输出端y6相连；
所述耦合电感La第一线圈的输出端和双三相电机M中的输入端x1相连；
所述耦合电感La第二线圈的输出端和双三相电机M中的输入端x2相连；
所述耦合电感Lb第一线圈的输出端和双三相电机M中的输入端x3相连；
所述耦合电感Lb第二线圈的输出端和双三相电机M中的输入端x4相连；
所述耦合电感Lc第一线圈的输出端和双三相电机M中的输入端x5相连；
所述耦合电感La第二线圈的输出端和双三相电机M中的输入端x6相连；
所述输入端x1与输入端y1相连，输入端x2与输入端y2相连，输入端x3与输入端y3相连，输入端x4与输入端y4相连，输入端x5与输入端y5相连，输入端x6与输入端y6相连。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明提供的新型拓扑不仅保持了传统电路拓扑动态相应快的优点，还能够有效地降低PWM频率的电压、电流谐波，消除电机PWM频率的电磁振动，大幅度减小电力逆变器的输出滤波器的体积，具有极高的应用价值与经济价值。
2、本发明的新型拓扑略能够有效地消除PWM技术产生的人耳可闻噪声，有效地消除电机PWM的电磁振动，大幅度减小电力逆变器输出滤波器的体积。
附图说明
图1为传统H桥驱动的双三相电机电路拓扑；
图2为本发明提出的H桥驱动的双三相电机电路拓扑；
图3为逆变器（H桥）拓扑；
图4为耦合电感（La、Lb、Lc）的结构示意图，图中：
Figure 252712DEST_PATH_IMAGE001
为第一线圈的输入端，
Figure 717323DEST_PATH_IMAGE002
为第 二线圈的输入端，
Figure 559377DEST_PATH_IMAGE003
为第一线圈的输出端，
Figure 531750DEST_PATH_IMAGE004
为第二线圈的输出端；
图5为采用传统H桥驱动的双三相电机电路拓扑的电机噪声；
图6为采用本发明H桥驱动的双三相电机电路拓扑的电机噪声。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
如图1所示，传统H桥驱动的双三相电机电路拓扑包含六个相同的电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3、VSI4、VSI5和VSI6以及一个双三相电机M，VSI的电路拓扑如图3所示。六个电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3、VSI4、VSI5和VSI6并联在同一母线DC_link上；电压源逆变器VSI1的输出端A1、B1和双三相电机M中的输入端x1、y1相连；电压源逆变器VSI2的输出端A2、B2和双三相电机M中的输入端x2、y2相连；电压源逆变器VSI3的输出端A3、B3和双三相电机M中的输入端x3、y3相连；电压源逆变器VSI4的输出端A4、B4和双三相电机M中的输入端x4、y4相连；电压源逆变器VSI5的输出端A5、B5和双三相电机M中的输入端x5、y5相连；电压源逆变器VSI6的输出端A6、B6和双三相电机M中的输入端x6、y6相连。
如图2所示，本发明提出的新型H桥驱动的双三相电机驱动拓扑包含六个相同的电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3、VSI4、VSI5和VSI6、一个双三相电机M以及三个相同的耦合电感La、Lb、Lc，VSI1、VSI2、VSI3、VSI4、VSI5和VSI6的电路拓扑如图3所示，耦合电感La、Lb、Lc的结构如图4所示，所述耦合电感La、Lb、Lc均由铁芯、两个匝数相同的第一线圈和第二线圈构成，同一铁芯上缠绕两个匝数相同的第一线圈和第二线圈，第一线圈和第二线圈的缠绕方向相反。本发明中，铁芯可以有气隙也可以没有气隙，铁芯也不限于图中的形状，第一线圈和第二线圈的缠绕方式不限于图中的方式，具体缠绕方式和耦合电感的接线方式相关。
六个电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3、VSI4、VSI5和VSI6并联在同一母线DC_link上。电压源逆变器VSI1的输出端A1和耦合电感La第一线圈的输入端相连，输出端B1和双三相电机M中的输出端y1相连。电压源逆变器VSI2的输出端A2和耦合电感La第二线圈的输入端相连，输出端B2和双三相电机M中的输出端y2相连。电压源逆变器VSI3的输出端A3和耦合电感Lb第一线圈的输入端相连，输出端B3和双三相电机M中的输出端y3相连。电压源逆变器VSI4的输出端A4和耦合电感Lb第二线圈的输入端相连，输出端B4和双三相电机M中的输出端y4相连。电压源逆变器VSI5的输出端A5和耦合电感Lc第一线圈的输入端相连，输出端B5和双三相电机M中的输出端y5相连。电压源逆变器VSI6的输出端A6和耦合电感Lc第二线圈的输入端相连，输出端B6和双三相电机M中的输出端y6相连。耦合电感La第一线圈的输出端和双三相电机M中的输入端x1相连。耦合电感La第二线圈的输出端和双三相电机M中的输入端x2相连。耦合电感Lb第一线圈的输出端和双三相电机M中的输入端x3相连。耦合电感Lb第二线圈的输出端和双三相电机M中的输入端x4相连。耦合电感Lc第一线圈的输出端和双三相电机M中的输入端x5相连。耦合电感La第二线圈的输出端和双三相电机M中的输入端x6相连。
通过调节六个电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3、VSI4、VSI5和VSI6的载波相位差消除不同次数的PWM谐波。例如当电压源逆变器VSI1、VSI2和VSI3载波相位相同，VSI4、VSI5和VSI6载波相位相同，而VSI1和VSI4的载波相位相差载波周期的一半（180度），调制波相位相同，能够消除PWM频率的谐波。
当PWM频率为8.0 kHz时，采用传统拓扑的驱动器驱动的电机噪声如图5所示，采用本发明新型拓扑驱动器驱动的电机噪声如图6所示。对比图5和图6可见，8.0 kHz的可闻噪声降低16dB。

Claims (2)

1.一种消除H桥驱动的双三相电机PWM噪声的电路拓扑，其特征在于所述电路拓扑包含六个相同的电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3、VSI4、VSI5和VSI6、一个双三相电机M以及三个相同的耦合电感La、Lb、Lc，其中：
所述耦合电感La、Lb、Lc均由铁芯、两个匝数相同的第一线圈和第二线圈构成，同一铁芯上缠绕两个匝数相同的第一线圈和第二线圈；
所述六个电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3、VSI4、VSI5和VSI6并联在同一母线DC_link上；
所述电压源逆变器VSI1的输出端A1和耦合电感La第一线圈的输入端相连，输出端B1和双三相电机中的输出端y1相连；
所述电压源逆变器VSI2的输出端A2和耦合电感La第二线圈的输入端相连，输出端B2和双三相电机中的输出端y2相连；
所述电压源逆变器VSI3的输出端A3和耦合电感Lb第一线圈的输入端相连，输出端B3和双三相电机中的输出端y3相连；
所述电压源逆变器VSI4的输出端A4和耦合电感Lb第二线圈的输入端相连，输出端B4和双三相电机中的输出端y4相连；
所述电压源逆变器VSI5的输出端A5和耦合电感Lc第一线圈的输入端相连，输出端B5和双三相电机中的输出端y5相连；
所述电压源逆变器VSI6的输出端A6和耦合电感Lc第二线圈的输入端相连，输出端B6和双三相电机中的输出端y6相连；
所述耦合电感La第一线圈的输出端和双三相电机中的输入端x1相连；
所述耦合电感La第二线圈的输出端和双三相电机中的输入端x2相连；
所述耦合电感Lb第一线圈的输出端和双三相电机中的输入端x3相连；
所述耦合电感Lb第二线圈的输出端和双三相电机中的输入端x4相连；
所述耦合电感Lc第一线圈的输出端和双三相电机中的输入端x5相连；
所述耦合电感La第二线圈的输出端和双三相电机中的输入端x6相连；
所述输入端x1与输入端y1相连，输入端x2与输入端y2相连，输入端x3与输入端y3相连，输入端x4与输入端y4相连，输入端x5与输入端y5相连，输入端x6与输入端y6相连。
2.根据权利要求1所述的消除H桥驱动的双三相电机PWM噪声的电路拓扑，其特性在于所述第一线圈和第二线圈的缠绕方向相反。
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