CN108649781A

CN108649781A - 消除多单元电机pwm噪声的电路拓扑

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Publication number: CN108649781A
Application number: CN201810484040.6A
Authority: CN
Inventors: 徐永向; 黄盈亮; 张文韬; 邹继斌; 邹继明
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2018-05-19
Filing date: 2018-05-19
Publication date: 2018-10-12

Abstract

本发明公开了一种消除多单元电机PWM噪声的电路拓扑，所述电路拓扑包含N（N为2的整倍数，N>2）个相同的电压源逆变器VSI₁、VSI₂、VSI₃……VSI_N、一个多单元电机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三相电机驱动器或者三相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引起的电压、电流谐波，消除电机PWM引起的电磁振动，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

消除多单元电机PWM噪声的电路拓扑

技术领域

本发明涉及一种多单元电机驱动拓扑，具体涉及一种消除多单元电机PWM噪声的电路拓扑，用于多单元电机驱动器或者电力逆变器。

背景技术

传统的电机驱动器或者电力逆变器常采用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多单元电机PWM噪声的电路拓扑，利用耦合电感将多单元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：

一种消除多单元电机PWM噪声的电路拓扑，包含N（N为2的整倍数，N>2）个相同的电压源逆变器VSI₁、VSI₂、VSI₃……VSI_N、一个多单元电机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、N个匝数相同的第一线圈、第二线圈……第N线圈构成，同一铁芯上缠绕N个匝数相同的线圈，其中0.5N正向缠绕，0.5N反向缠绕，但不限于此种缠绕方式，线圈的缠绕方式取决于耦合电感的接线方式；

所述多单元电机M为2的整倍数的单元电机，如4单元电机、6单元电机或者8单元电机；

所述N个电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3……VSIN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和耦合电感Lb第一线圈的输入端相连，输出端C1和耦合电感Lc第一线圈的输入端相连；

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和耦合电感Lb第二线圈的输入端相连，输出端C2和耦合电感Lc第二线圈的输入端相连；

所述电压源逆变器VSI3的输出端A3和耦合电感La第三线圈的输入端相连，输出端B3和耦合电感Lb第三线圈的输入端相连，输出端C3和耦合电感Lc第三线圈的输入端相连；

所述电压源逆变器VSIN的输出端AN和耦合电感La第N线圈的输入端相连，输出端BN和耦合电感Lb第N线圈的输入端相连，输出端CN和耦合电感Lc第N线圈的输入端相连；

所述耦合电感La第一线圈的输出端和多单元电机M中的输入端x1相连，第二线圈的输出端和多单元电机M中的输入端x2相连，第三线圈的输出端和多单元电机M中的输入端x3相连，第N线圈的输出端和多单元电机M中的输入端xN相连；

所述耦合电感Lb第一线圈的输出端和多单元电机M中的输入端y1相连，第二线圈的输出端和多单元电机M中的输入端y2相连，第三线圈的输出端和多单元电机M中的输入端y3相连，第N线圈的输出端和多单元电机M中的输入端yN相连；

所述耦合电感Lc第一线圈的输出端和多单元电机M中的输入端z1相连，第二线圈的输出端和多单元电机M中的输入端z2相连，第三线圈的输出端和多单元电机M中的输入端z3相连，第N线圈的输出端和多单元电机M中的输入端zN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引起的电压、电流谐波，消除电机PWM引起的的电磁振动，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引起的的电磁振动，大幅度减小电力逆变器输出滤波器的体积。

附图说明

图1为传统多单元电机驱动电路拓扑；

图2为本发明提出的多单元电机驱动电路拓扑；

图3为逆变器（VSI）拓扑；

图4为耦合电感（La、Lb、Lc）的结构示意图，图中：为第一线圈的输入端，为第二线圈的输入端，为第三线圈的输入端，为第四线圈的输入端，为第一线圈的输出端，为第二线圈的输出端，为第三线圈的输出端，为第四线圈的输出端；

图5为采用传统多单元电机驱动拓扑的电机线电压噪声；

图6为采用本发明多单元电机驱动拓扑的电机线电压噪声。

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。

以4单元电机为例，如图1所示，传统的多单元电机电路拓扑包含四个相同的电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3和VSI4、一个多单元电机M，VSI的电路拓扑如图3所示。四个电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3和VSI4并联在同一母线DC_link上；电压源逆变器VSI1的输出端A1、B1、C1分别和多单元电机中的输入端x1、y1、z1相连；电压源逆变器VSI2的输出端A2、B2、C2分别和多单元电机M中的输入端x2、y2、z2相连；电压源逆变器VSI3的输出端A3、B3、C3分别和多单元电机中的输入端x3、y3、z3相连；电压源逆变器VSI4的输出端A4、B4、C4分别和多单元电机中的输入端x4、y4、z4相连。

如图2所示，本发明提出的新型多单元电机驱动拓扑包含四个相同的电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3和VSI4、一个多单元电机M以及三个相同的耦合电感La、Lb、Lc。VSI1、VSI2、VSI3和VSI4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、四个匝数相同的第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈构成，同一铁芯上缠绕四个匝数相同的第一线圈、第二线圈、第三线圈和第四线圈，其中第一线圈和第二线圈正向缠绕，第三线圈和第四线圈反向缠绕。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、第二线圈、第三线圈和第四线圈的缠绕方式不限于图中的方式，线圈的缠绕方式取决于耦合电感的接线方式。

四个电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3和VSI4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，B1和耦合电感Lb第一线圈的输入端相连，C1和耦合电感Lc第一线圈的输入端相连。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，B2和耦合电感Lb第二线圈的输入端相连，C2和耦合电感Lc第二线圈的输入端相连。电压源逆变器VSI3的输出端A3和耦合电感La第三线圈的输入端相连，B3和耦合电感Lb第三线圈的输入端相连，C3和耦合电感Lc第三线圈的输入端相连。电压源逆变器VSI4的输出端A4和耦合电感La第四线圈的输入端相连，B4和耦合电感Lb第四线圈的输入端相连，C4和耦合电感Lc第四线圈的输入端相连。La第一线圈的输出端⑤和多单元电机M中的输入端x1相连，Lb第一线圈的输出端⑤和多单元电机M中的输入端y1相连，Lc第一线圈的输出端⑤和多单元电机M中的输入端z1相连。La第二线圈的输出端⑥和多单元电机M中的输入端x2相连，Lb第二线圈的输出端⑥和多单元电机M中的输入端y2相连，Lc第二线圈的输出端⑥和多单元电机M中的输入端z2相连。La第三线圈的输出端⑦和多单元电机M中的输入端x3相连，Lb第三线圈的输出端⑦和多单元电机M中的输入端y3相连，Lc第三线圈的输出端⑦和多单元电机M中的输入端z3相连。La第四线圈的输出端⑧和多单元电机M中的输入端x4相连，Lb第四线圈的输出端⑧和多单元电机M中的输入端y4相连，Lc第四线圈的输出端⑧和多单元电机M中的输入端z4相连。

通过调节四个电压源逆变器VSI1、VSI2、VSI3和VSI4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和VSI2载波相位相同，VSI3和VSI4载波相位相同，而VSI2和VSI3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输出的线电压及其频谱如图5所示，采用新型拓扑驱动器驱动的线电压及其频谱如图6所示。对比图5和图6可见，8.0kHz的PWM谐波降低23dBV。

对于6单元电机或者8单元电机来说，所用电压源逆变器和线圈数量为4单元电机中电压源逆变器和线圈数量的1.5倍或2倍。

Claims

1.一种消除多单元电机PWM噪声的电路拓扑，其特征在于所述电路拓扑包含N个相同的电压源逆变器VSI₁、VSI₂、VSI₃……VSI_N、一个多单元电机M以及三个相同的耦合电感La、Lb、Lc，N为2的整倍数，N>2，其中：

所述耦合电感La、Lb、Lc均由铁芯、N个匝数相同的第一线圈、第二线圈……第N线圈构成，同一铁芯上缠绕N个匝数相同的线圈，其中0.5N正向缠绕，0.5N反向缠绕；

所述多单元电机M为2的整倍数的单元电机；

所述N个电压源逆变器VSI₁、VSI₂、VSI₃……VSI_N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和耦合电感Lb第一线圈的输入端相连，输出端C₁和耦合电感Lc第一线圈的输入端相连；

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和耦合电感Lb第二线圈的输入端相连，输出端C₂和耦合电感Lc第二线圈的输入端相连；

所述电压源逆变器VSI₃的输出端A₃和耦合电感La第三线圈的输入端相连，输出端B₃和耦合电感Lb第三线圈的输入端相连，输出端C₃和耦合电感Lc第三线圈的输入端相连；

所述电压源逆变器VSI_N的输出端A_N和耦合电感La第N线圈的输入端相连，输出端B_N和耦合电感Lb第N线圈的输入端相连，输出端C_N和耦合电感Lc第N线圈的输入端相连；

所述耦合电感La第一线圈的输出端和多单元电机M中的输入端x₁相连，第二线圈的输出端和多单元电机M中的输入端x₂相连，第三线圈的输出端和多单元电机M中的输入端x₃相连，第N线圈的输出端和多单元电机M中的输入端x_N相连；

所述耦合电感Lb第一线圈的输出端和多单元电机M中的输入端y₁相连，第二线圈的输出端和多单元电机M中的输入端y₂相连，第三线圈的输出端和多单元电机M中的输入端y₃相连，第N线圈的输出端和多单元电机M中的输入端y_N相连；

所述耦合电感Lc第一线圈的输出端和多单元电机M中的输入端z₁相连，第二线圈的输出端和多单元电机M中的输入端z₂相连，第三线圈的输出端和多单元电机M中的输入端z₃相连，第N线圈的输出端和多单元电机M中的输入端z_N相连。