CN114268265A - 变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法及装置，该方法包括：1)采集变频调速电机系统运行过程中的高频开关振荡电流i_sw；2)截取高频开关振荡电流片段i_sw‑res并进行快速傅里叶分解，获取频谱图；3)根据频谱图提取谐振频率F₁，并计算高频开关振荡电流片段i_sw‑res的阻尼系数ζ₁；4)调节靶向抑制线圈的谐振电容C与线圈自感L，使线圈谐振频率F₂等于高频开关振荡电流i_sw‑res的谐振频率F₁；5)调节靶向抑制线圈的阻尼电阻R，使靶向抑制线圈的阻尼系数ζ₂等于高频开关振荡电流片段i_sw‑res的阻尼系数ζ₁；6)将靶向抑制线圈安装在电机变频调速系统高频开关振荡电流的传导路径上。与现有技术相比，本发明具有目标靶向、抑制效果好、安全经济等优点。

Description

变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法及装置

技术领域

本发明涉及变频电机系统高频开关振荡抑制领域，尤其是涉及一种变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法及装置。

背景技术

在变频电机系统中，伴随着功率转换器中的电力电子开关器件(如IGBT、MOSFET)对电能进行变换与控制，高速开关暂态过程所带来的高dv/dt和di/dt必然会在系统中产生高频开关振荡。电力电子高频开关振荡会在变频电机系统中产生电磁干扰、绝缘与轴承加速劣化以及效率降低等不同的负面影响。在高dv/dt与di/dt激励下，系统中将产生大量传导和辐射电磁干扰，可能影响系统正常运行。高速开关暂态过程会在电机端部绝缘处诱发过电压，威胁绝缘材料安全，与此同时高频轴电压、轴电流会对轴承产生电腐蚀，降低电机轴承寿命，此外，高频开关振荡电流会增加电机铜耗与铁耗，降低效率，增加温升，为减轻变频电机系统高频开关振荡的负面影响，有必要对高频开关振荡电流进行有效抑制。

N.Idir等人在“Active gate voltage control of turn-on di/dt and turn-off dv/dt in insulated gate transistors”的文献中利用主动门极驱动电路来调控电力电子器件的开关行为，通过改变开关瞬态不同阶段的门极驱动电压，从而进一步控制开关速度，由此来抑制在变频调速系统中产生的高频开关振荡，但采用主动门极驱动电路的方法增加了驱动电路的复杂度，并引入了额外的开关损耗。

H.Akagi等人在“A passive EMI filter for eliminating both bearingcurrent and ground leakage current from an inverter-driven motor”的文献中通过设计无源滤波器，从传导路径上抑制逆变器到电机轴承之间的高频开关振荡电流，从而使高频开关振荡电流得到衰减，该文中结合了一个线路滤波器(逆变器的直流侧)和电机端部的滤波器(逆变器的交流侧)以抑制高频共模开关振荡电流。但鉴于滤波器体积较大、不易安装，且会改变原系统的硬件拓扑结构，成本较高，在实际工程应用中具有一定的局限性。

中国专利CN201911054800.0公开了一种并网三相逆变器共模EMI滤波器优化设计方法，该方法需要利用线性稳定阻抗网络得到变换器所需衰减的共模EMI频谱，测量设备体积庞大，操作复杂，硬件设计成本较高。

综上所述，目前对于变频电机系统的高频开关振荡抑制技术，主要可以分为两类：一是针对产生高频开关振荡源，通过调控电力电子器件的开关行为，对系统中产生的高频开关振荡电流进行抑制，但该方法会增加驱动电路的复杂度，引入额外的开关损耗；二是针对高频开关振荡电流的传导路径，设计复杂多样的滤波器，但具有体积较大、成本较高，应用场合受限等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法，基于谐振匹配原理对目标开关振荡电流进行频率定向和阻尼互补实现抑制，根据目标开关振荡电流的谐振频率、阻尼系数，对阻尼线圈进行设计与参数配置，实现对目标开关振荡电流的靶向抑制。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法，包括以下步骤：

1)通过高频电流传感器采集变频调速电机系统运行过程中的高频开关振荡电流i_sw；

2)从高频开关振荡电流i_sw中截取高频开关振荡电流片段i_sw-res并进行快速傅里叶分解，获取高频开关振荡电流片段i_sw-res的频谱图；

3)根据频谱图提取高频开关振荡电流片段i_sw-res的谐振频率F₁，并利用半功率带宽法计算高频开关振荡电流片段i_sw-res的阻尼系数ζ₁；

4)调节靶向抑制线圈的谐振电容C与线圈自感L，使线圈谐振频率F₂等于高频开关振荡电流i_sw-res的谐振频率F₁；

5)调节靶向抑制线圈的阻尼电阻R，使靶向抑制线圈的阻尼系数ζ₂等于高频开关振荡电流片段i_sw-res的阻尼系数ζ₁；

6)将调节后的靶向抑制线圈安装在电机变频调速系统高频开关振荡电流的传导路径上，实现对高频共模开关振荡电流的靶向主动抑制。

所述的步骤3)中，高频开关振荡电流片段i_sw-res的阻尼系数ζ₁的计算式为：

其中，f₀为高频开关振荡电流i_sw-res频谱的谐振峰值处频率，f₁和f₂分别为谐振峰左右两侧

峰值处对应的频率。

所述的步骤4)中，靶向抑制线圈套设在逆变器的三相输出端与负载电机之间的传导路径上，具体为负载电机端部的三相电缆上。

所述的靶向抑制线圈具体由一圆环型线圈骨架、绕设在线圈骨架上的线圈绕组以及与线圈绕组闭环串联的阻尼电路，所述的阻尼电路包括相互串联的谐振电容C与阻尼电阻R。

所述的步骤4)中，线圈谐振频率F₂的表达式为：

其中，a为线圈内径，b为线圈外径，μ₀为线圈骨架导磁率，N为线圈绕线匝数。

所述的步骤5)中，靶向抑制线圈的阻尼系数ζ₂的表达式为：

所述的步骤6)中，当需要对多个靶向目标的谐振频率F_i进行抑制时，则设置多个对应调节后的靶向抑制线圈依次布置在电机变频调速系统的传导路径上。

该方法通过调节谐振电容C与线圈绕线自感L，使线圈谐振频率F₂与高频开关振荡电流片段i_sw-res的谐振频率F₁相等，将靶向抑制线圈的阻抗特性通过互感折算到高频开关振荡电流对应谐振回路中，使得在对应的谐振频率F₁处引入形似波峰状的阻抗特性，与高频开关振荡电流对应谐振回路的形似波谷状的阻抗特性进行加和，进而提高高频开关振荡电流对应谐振回路的阻抗，实现对变频电机系统高频开关振荡电流进行靶向主动抑制的目的。

实现该变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法的装置具体包括：

靶向抑制线圈：设置在电机变频调速系统的传导路径上，通过调节谐振电容C、线圈自感L和阻尼电阻R实现对高频共模开关振荡电流的靶向主动抑制；

高频电流探头：设置在电机端部的三相电缆处，用以采集高频开关振荡电流信号i_sw；

高速信号采集单元：用以将采集到的高频开关振荡电流信号i_sw发送给上位机；

上位机：用以对采集到的高频开关振荡电流信号i_sw进行截取并进行快速傅里叶分解得到高频开关振荡电流片段i_sw-res的频谱图。

所述的高频电流探头采用带宽50MHz的CYBERTEK CP8030B高频电流探头，所述的高速信号采集单元的型号为Pico 5444D。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、目标靶向：目前的开关振荡电流抑制技术主要是面向全频段的干扰进行抑制，本发明利用谐振频率匹配的方法，可以做到对特定频率的开关振荡电流进行定向抑制，具有很强的目标靶向性。

二、抑制效果好：本发明抑制对象更加明确，通过对高频开关振荡电流谐振回路的阻尼进行补偿，增大了高频开关振荡电流的阻尼系数，使其衰减时间常数急剧减小，高效地实现了高频开关振荡电流的主动抑制。

三、安全经济：本发明利用非侵入式的线圈结构，避免了在原系统硬件部分的改造，维持了系统运行状态的稳定性，并且引入的抑制线圈在结构上与系统保持电气隔离，提高了安全性，现有的开关振荡抑制方法需要在原系统硬件设施中进行优化，方案复杂、造价偏高，本发明方法引入的靶向抑制线圈设计简单、价格便宜。

附图说明

图1为电机系统试验台及高频振荡电流靶向抑制线圈示意图，其中，图(1a)为变频电机系统的结构示意图，图(1b)为振荡电流抑制线圈的结构示意图。

图2为原系统总体高频共模开关振荡电流i_sw示意图。

图3为原系统高频共模开关振荡电流片段i_sw-res示意图。

图4为电机高频共模开关振荡电流靶向抑制方法流程图。

图5为高频振荡电流靶向抑制线圈集总模型示意图。

图6为系统及线圈阻抗特性示意图。

图7为抑制前后的高频共模开关振荡电流波形示意图。

图8为抑制前后的高频共模开关振荡电流频谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

变频电机系统中产生的高频开关振荡电流，是由电力电子器件在开关过程中所产生的高dv/dt和di/dt作用在系统的分布参数上而引起的谐振响应。由于在高频开关振荡电流的谐振回路中，阻抗特性呈现波谷状，高频开关振荡电流阻尼很小，本发明设计一种震荡电流抑制线圈，如图(1b)所示，在线圈端部采用RC串联支路，通过调节谐振电容C与线圈绕线自感L，使其谐振频率F₂与高频开关振荡电流的频率F₁相等，将线圈的阻抗特性折算到高频开关振荡电流对应的谐振回路中，将会在对应频率F1处引入形似波峰状的阻抗特性，阻尼电阻R主要提供线圈侧的谐振阻尼系数，适当调节阻尼电阻R补偿系统谐振回路阻尼，可达到对变频电机系统高频开关振荡电流进行靶向主动抑制的目的。

本发明利用上述抑制线圈进行高频开关振荡电流的靶向主动抑制方法主要包括以下步骤：

1)利用高频电流传感器，采集变频调速电机系统运行过程中的高频开关振荡电流isw；

2)从高频开关振荡电流i_sw中截取高频开关振荡电流片段i_sw-res，对高频开关振荡电流片段i_sw-res进行快速傅里叶分解，获取高频开关振荡电流片段i_sw-res的频谱图；

3)根据步骤2)获取的频谱图，提取高频开关振荡电流片段i_sw-res的谐振频率F₁，并利用半功率带宽法计算高频开关振荡电流片段i_sw-res的阻尼系数ζ₁，

其中，f₀为高频开关振荡电流i_sw-res频谱的峰值处频率，f₁和f₂分别为谐振峰左右两侧

峰值处对应的频率；

4)设计高频开关振荡电流i_sw-res的靶向抑制线圈的结构如图(1b)所示，调节抑制线圈谐振电容C与线圈自感L，使线圈谐振频率F₂等于高频开关振荡电流i_sw-res的谐振频率F₁。线圈谐振频率F₂、线圈自感L分别为：

其中，a为线圈内径，b为线圈外径，μ₀为线圈骨架导磁率，N为线圈绕线匝数。

5)调节抑制线圈阻尼电阻R，使抑制线圈的阻尼系数ζ₂等于高频开关振荡电流片段i_sw-res的阻尼系数ζ₁，抑制线圈的阻尼系数ζ₂为：

其中，线圈自感L、线圈谐振电容C的参数值与步骤4)相同。

6)将设计好的高频开关振荡电流靶向主动抑制线圈布置在电机变频调速系统的传导路径上，对高频共模开关振荡电流进行抑制。

实施例

在实施例中，搭建了如图1所示的实验台。实验被测电机为380V、3kW的感应电机(IM)，对拖电机为8极380V、3kW永磁同步电机(PMSM)，两个变频器分别以转矩模式和速度模式控制感应电机和永磁同步电机。采用高速信号采集单元(Pico 5444D，14位，125MS/s)和上位机进行信号采集和处理，使用带宽为50MHz的高频电流探头CYBERTEK CP8030B用于测量电机变频调速系统中的高频开关振荡电流。

首先，在电机端部的三相电缆处布置高频电流探头以采集包含高频开关振荡电流信号i_sw，如图2所示。

其次，对采集到的电机高频开关振荡电流i_sw进行筛选，截取出振荡完整的高频开关振荡电流i_sw-res如图3所示，具体为：

利用matlab编程对采集到的高频开关振荡电流进行数据处理，首先截取高频开关振荡电流片段i_sw-res，截取条件为振荡片段必须从起振到振荡消失，然后对高频开关振荡电流片段i_sw-res进行快速傅里叶分解，进而获取高频开关振荡电流片段i_sw-res的频谱，结合高频开关振荡电流片段i_sw-res的频谱特性，提取其谐振频率F₁，并通过半功率带宽法求取高频开关振荡电流片段i_sw-res的阻尼系数ζ₁，其中

其中，f₀为高频开关振荡电流片段i_sw-res频谱的峰值处频率，f₁和f₂分别为谐振峰左右两侧

峰值处对应的频率。

接着在线圈端部串联RC支路，线圈集总模型如图5所示。然后根据高频开关振荡电流片段i_sw-res的频率F₁设计抑制线圈的自感L与谐振电容C，使线圈谐振频率F₂与F₁相同，其中

其中，a为线圈内径，b为线圈外径，μ₀为线圈骨架导磁率，N为线圈绕线匝数,M为线圈互感。

然后调节线圈阻尼电阻R，使线圈的阻尼系数ζ₂与目标抑制模态的阻尼系数ζ₂相等，则有：

线圈自感L、谐振电容C参数值参考上一步骤，使靶向抑制线圈阻抗特性与高频开关振荡电流片段i_sw-res的谐振频率、阻尼系数相同，最终系统在引入线圈后的阻抗特性如图6所示。

最后将所设计的靶向抑制线圈布置在变频电机系统高频开关振荡电流i_sw的传导路径上(电机端部的三相电缆)如图1所示，检验靶向抑制线圈的时域、频域抑制效果如图7、图8所示，实现了对高频开关振荡电流的靶向主动抑制。

Claims (10)

1.一种变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过高频电流传感器采集变频调速电机系统运行过程中的高频开关振荡电流i_sw；

2)从高频开关振荡电流i_sw中截取高频开关振荡电流片段i_sw-res并进行快速傅里叶分解，获取高频开关振荡电流片段i_sw-res的频谱图；

3)根据频谱图提取高频开关振荡电流片段i_sw-res的谐振频率F₁，并利用半功率带宽法计算高频开关振荡电流片段i_sw-res的阻尼系数ζ₁；

4)调节靶向抑制线圈的谐振电容C与线圈自感L，使线圈谐振频率F₂等于高频开关振荡电流i_sw-res的谐振频率F₁；

5)调节靶向抑制线圈的阻尼电阻R，使靶向抑制线圈的阻尼系数ζ₂等于高频开关振荡电流片段i_sw-res的阻尼系数ζ₁；

6)将调节后的靶向抑制线圈安装在电机变频调速系统高频开关振荡电流的传导路径上，实现对高频共模开关振荡电流的靶向主动抑制。

2.根据权利要求1所述的一种变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法，其特征在于，所述的步骤3)中，高频开关振荡电流片段i_sw-res的阻尼系数ζ₁的计算式为：

其中，f₀为高频开关振荡电流i_sw-res频谱的谐振峰值处频率，f₁和f₂分别为谐振峰左右两侧

峰值处对应的频率。

3.根据权利要求1所述的一种变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法，其特征在于，所述的步骤4)中，靶向抑制线圈套设在逆变器的三相输出端与负载电机之间的传导路径上，具体为负载电机端部的三相电缆上。

4.根据权利要求3所述的一种变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法，其特征在于，所述的靶向抑制线圈具体由一圆环型线圈骨架、绕设在线圈骨架上的线圈绕组以及与线圈绕组闭环串联的阻尼电路，所述的阻尼电路包括相互串联的谐振电容C与阻尼电阻R。

5.根据权利要求3所述的一种变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法，其特征在于，所述的步骤4)中，线圈谐振频率F₂的表达式为：

其中，a为线圈内径，b为线圈外径，μ₀为线圈骨架导磁率，N为线圈绕线匝数。

6.根据权利要求5所述的一种变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法，其特征在于，所述的步骤5)中，靶向抑制线圈的阻尼系数ζ₂的表达式为：

7.根据权利要求1所述的一种变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法，其特征在于，所述的步骤6)中，当需要对多个靶向目标的谐振频率F_i进行抑制时，则设置多个对应调节后的靶向抑制线圈依次布置在电机变频调速系统的传导路径上。

8.根据权利要求1所述的一种变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法，其特征在于，该方法通过调节谐振电容C与线圈绕线自感L，使线圈谐振频率F₂与高频开关振荡电流片段i_sw-res的谐振频率F₁相等，将靶向抑制线圈的阻抗特性通过互感折算到高频开关振荡电流对应谐振回路中，使得在对应的谐振频率F₁处引入形似波峰状的阻抗特性，与高频开关振荡电流对应谐振回路的形似波谷状的阻抗特性进行加和，进而提高高频开关振荡电流对应谐振回路的阻抗，实现对变频电机系统高频开关振荡电流进行靶向主动抑制的目的。

9.一种实现如权利要求1-8任一项变频电机高频开关振荡电流靶向主动抑制方法的装置，其特征在于，该装置包括：

靶向抑制线圈：设置在电机变频调速系统的传导路径上，通过调节谐振电容C、线圈自感L和阻尼电阻R实现对高频共模开关振荡电流的靶向主动抑制；

高频电流探头：设置在电机端部的三相电缆处，用以采集高频开关振荡电流信号i_sw；

高速信号采集单元：用以将采集到的高频开关振荡电流信号i_sw发送给上位机；

上位机：用以对采集到的高频开关振荡电流信号i_sw进行截取并进行快速傅里叶分解得到高频开关振荡电流片段i_sw-res的频谱图。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述的高频电流探头采用带宽50MHz的CYBERTEK CP8030B高频电流探头，所述的高速信号采集单元的型号为Pico 5444D。

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