PWM电机驱动系统的谐波抑制

史超然，张会林，张　松，金焱飞，李荣伟

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

PWM电机驱动系统的谐波抑制

史超然，张会林，张松，金焱飞，李荣伟

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

摘要针对如何提高电机运行的平稳性和减少因谐波所带来的振动和噪声，设计了一种安装在PWM逆变器输出端的RLC滤波器，经过优化的RLC滤波器使电机端的高次谐波含量明显降低，电压、电流脉动现象得到了较好地抑制，并在Matlab/Simulink平台上进行仿真实验，验证了文中所设计滤波器的有效性和可靠性。

关键词无刷直流电机；PWM变频调速；谐波；RLC滤波器

与普通直流电机相比，无刷直流电机采用位置传感器和换相电路代替了传统的碳刷和换向环机械换向装置，具有结构简单，可靠性高，适应性强等优点。诸多优点和优异的调速性能让无刷直流电机的应用广泛。PWM变频调速是无刷直流电机常用的调速方法，而其核心控制方式依然是电压型PWM技术[1]。而PWM逆变器输出的电压波形中谐波的存在，会使电机产生附加损耗，降低功率因数，大量的谐波还会使电机绕组过热，破坏电机绕组的绝缘性缩短电机的使用寿命[2]。为了降低谐波含量，节能降耗，本文对PWM控制的无刷直流电机调速系统进行仿真和谐波分析，设计了一种安装在PWM逆变器输出端的滤波器。

1谐波分析

在PWM变频调速系统中PWM逆变器是该调速系统的核心硬件[3]。PWM逆变器中在功率晶体管导通和关断瞬间会产生陡上升沿或下降沿的脉冲电压，按时域的观点分析，脉冲电压的电压上升率(dv/dt)很高，容易破坏电机绕组间的绝缘。按照频域的观点分析,高次谐波在电缆中是以波的形式传播的，随着电缆长度的增加，在电机接线端子上将产生高频振荡的过电压，引起电机局部放电现象[4]。所以，治理谐波的关键就是滤除PWM逆变器所产生的高次谐波。

为确定谐波的分布规律，本文通过对电压型PWM逆变电路作大量的仿真分析，总结出谐波的分布规律，谐波分量集中分布在以载波频率的整数倍为中心的周围，且载波频率越高，电流波形的平滑性越好，高次谐波含量也越少。但过高的载波频率使逆变器的开关损耗也随之增加，不利于功率模块安全、可靠、长期的运行。文中的仿真模型中PWM逆变器的负载为无刷直流电机，将等效载波频率设置为3 kHz，则每个元器件的开关频率就为500 Hz。所以，应在逆变器的输出端加装设计合理的低通滤波器过滤高次谐波。

2低通滤波器的设计

RLC滤波器是是目前最常用滤波方式，与有源滤波器相比，RLC滤波器具有结构简单、易于安装维护等优点，且目前针对PWM逆变器输出谐波的抑制方法较少，使用有源滤波器作为其输出滤波器的技术仍不成熟，所以文中采用无源滤波的方式滤除高次谐波，通过对RLC滤波器参数的合理设置，将其作为PWM逆变器的输出滤波器[5]。

图1　有滤波器时的系统模型

图2　有滤波器时的单相等效电路

为简化分析过程，文中不考虑电缆参数对调速系统的影响。简化后的系统模型如图1所示，在逆变器的输出端加装了RLC无源滤波器，滤波器中电阻可限制上电瞬间电容的充电电流，防止电容器被击穿，同时还起到阻尼作用，抑制谐振的产生；电感抑制了逆变器输出的高次谐波的通过；电容则为逆变器输出的高次谐波提供了旁路，电感和电容共同作用减小了逆变器输出端脉冲电压上升率(dv/dt)的同时也降低了电动机端子的过电压[6]。为方便计算RLC滤波器参数，建立该系统模型的等效电路图如图2所示。逆变器的谐振频率和电动机端的谐振频率为

(1)

(2)

为保证基波电压和基波电流能顺利通过应使f>f1,为保证在载波频率fc附近的滤波效果同时为避免发生谐振应使f<0.5fc[7]。从逆变器输出端看总的输入阻抗Zin为

Zin=jwL+Zrc//Z0

(3)

其中，Zrc=1/jwC+R是滤波器电容和电阻支路的阻抗；Z0为电动机等效电感和电阻的总阻抗进而可求得各H参数的表达式

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

文中RLC低通滤波器的滤波效果集中体现在能否滤除在载波频率附近的高次谐波，在载波频率附近时，将式(7)～(10)进一步化简可得

(11)

由式(11)可知，随着频率w的增大，|Z|增大，|H21|、|Hp|减小，|H11|不变，说明高频电压已经被成功滤除，但是高频电流却被放大了L0/L倍，而针对某一特定频率谐波的有功损耗则与R/L2成正比，经过RLC低通滤波器过滤后虽电压谐波分量被滤除，但电流谐波分量却增加了，所以应对RLC滤波器进一步优化。

RLC滤波器的主要作用是延长脉冲电压的上升时间，为进优化滤波器的滤波效果，应进一步延长上升时间，使dv/dt进一步减小，优化逆变器输出波形，理论上增大滤波器电感的值，可改善输出电流波形，减小高频电流谐波含量，同时电感值的增大还可降低谐波的有功损耗，但在电机驱动系统中作为PWM逆变器的输出滤波器必须考虑谐振、功率因数和基波压降等问题，同时还应考虑电动机端的过电压最大超调量对脉冲电压上升时间的影响[8]。为使文中仿真模型的物理意义更加明晰，同时也进一步修正RLC滤波器各元器件参数，使滤波器的优化改良成为可能，在综合考虑各方面因素和仿真数据的基础上得出以结论

R≈0.05R

(12)

滤波器电阻和电容为高频谐波提供了旁路，并与负载构成并联关系，所以电阻的阻值应尽量小，以防止大量高频谐波通过负载[9]。

(13)

L≈0.05L0

(14)

在滤波器的设计中容量小的电容过滤高频谐波的效果更好，而电感的取值也不宜过大，因电感的储能会影响电机的制动和调速性能，所以应在保证滤波效果和截止频率的基础上，使电容和电感的值尽量小。

图3　PWM电机驱动系统

3仿真分析

为验证所设计滤波器的合理性，文中搭建了PWM电机驱动系统仿真模型如图3所示，仿真参数具体设置为：载波频率fc=3 kHz，电动机定子每相绕组的电阻电感R0=3.57 Ω，L0=0.008 35 H，极对数p=2，转动惯量J=0.007 kg·m2，直流母线电压300 V，仿真时间设置为0.4 s，电动机的启动负载设置为0.5 N·m，负载在0.1 s时变为2 N·m，将启动转速设定为1 500 r/min，在0.2 s时，将转速在变化为1 700 r/min。

该系统采用转速、电流双闭环控制方式，使电机获得更高的动态性能，该驱动系统的主电路由直流电源、PWM逆变器、无源滤波器、永磁同步电机，控制系统主要由转速给定模块、转速调节模块、电流调节模块组成[10]。

作为PWM逆变器输出端滤波器的RLC低通滤波器模块由无源器件电阻、电感、电容组成，根据式(12)～式(14)计算得到滤波器的参数：R=200 mΩ，C=30 μF，L=500 μH。

图4(a)为无滤波器时电机端电压仿真波形，可见在功率晶体管导通和关断瞬间出现了脉冲电压，会使电动机端出现过电压现象；图4(b)为有滤波器后电机端电压传真波形，可见高次谐波经过RLC低通滤波器后被成功滤除，电压超调量被有效降低，电压波形也趋于平整。

图5(a)为无滤波器时无刷直流电机三相定子a相电流，因为采用PWM脉宽调制策略，所以在功率晶体管导通期间会有电流脉动，电流脉动可能导致电动机振动、过热、转距脉动等异常情况的发生；图5(b)为有RLC滤波器时三相定子a相电流，可见由于RLC低通滤波器的过滤作用使电机端的高次谐波含量明显降低，电流脉动现象得到了良好的抑制。

图4　电机端电压仿真波形

图5　定子a相电流波形

4结束语

本文针对用于电机驱动系统的PWM逆变器输出端高次谐波的问题，设计了一种结构简单、安装方便的RLC低通滤波器。通过对高次谐波分布特点的分析合理设置了滤波器各元件参数，仿真实验结果说明文中所设计滤波对高次电压谐波和电流谐波能起到良好的抑制作用。

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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

基金项目:沪江基金资助项目(B1402/D1402)

作者简介:史超然(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.06.032

中图分类号TN713+.1；TM33

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)06-110-04