PLC控制下交流变频器传导干扰抑制方法仿真

2021-11-19徐秀萍苗百春

计算机仿真 2021年10期

徐秀萍，苗百春

(大连海洋大学应用技术学院，辽宁大连 116300)

1 引言

逆变电路和整流电路对交流逆变器的电磁信号存在干扰作用，而形成干扰的原因主要是因为IGBT高速开关的动作让电压和电流发生了改变[1]。近年来，交流逆变器的电磁干扰问题也引起了相关领域的广泛关注。

交流脉宽调制技术是一种随着现代逆变电源技术的发展逐渐应用到电子功率的调制方法。但交流PWM技术在提高逆变器调速性能的同时，也造成了严重的电磁干扰问题。当交流逆变器的电磁干扰非常严重时，往往需要高阶的电磁干扰滤波器[2]。然而，对于体积有限的中小型交流变换器，高阶EMI滤波器会增长变换器的体积，从而对变换器的功率密度产生影响。另外，负载电流会导致滤波器中多个共模电感的功率损耗，降低滤波器的整体效率，使其失去市场优势[3]。

皇甫雅帆[4]等人建立了一种基于频率捷变的全双工自干扰抑制方法，其目的在于抵制全双工系统和基站系统在引入灵活时隙配置技术时形成的干扰，这样有利于抑制基站用户进行不同时隙配置时的需要。臧维明[5]等人首先通过雷达方程对引起覆盖力的主要要素起决定作用，接着对通带干扰信号的特征建立模型，然后经过回波信号的处理形成陷波滤波机制，这样有利于抑制窄带的干扰加窗作用。

结合以上研究背景，本研究以交流变频器为研究对象，在PLC控制下对交流变频器的传导干扰抑制展开仿真设计，以期有效消除交流变频器的电磁干扰。

2 交流变频器传导干扰抑制方法仿真设计

2.1 提取交流变频器传导干扰特征

交流变频传导过程中在电磁干扰的情况下，接收到的信号x通常是由背景噪声、干扰噪声以及直扩系统信号组成[6]，将其表示为

x=sDs+j+ε

(1)

式(1)中，sDs表示直扩系统信号，ε表示背景噪声，j表示干扰噪声。

在此基础上，假设在PLC控制下，交流变频器传导干扰的M×N维矩阵为Φ，那么交流变频器传导干扰信号表示为

s=Φ(sDs+j+ε)=ΦψNBI+aNBI+e

(2)

式中，ψNBI表示交流变频器传导干扰信号的稀疏字典，aNBI表示交流变频器传导干扰信号的稀疏系数向量，e表示噪声的分量大小。

由于直扩系统信号具有类噪声的特征[7]，当信号位于交流变频器的正交基处时，就不能采用稀疏表示.因此，本研究在PLC控制下重新构建信号的稀疏字典。在整个计算过程中，如果采用γi(i=1，2，…g)表示信号之间的关联系数，通过分析PLC控制原理[8]，每一种信号都具有各自的关联系数，由于sDs、ε和j不能在交流变频器的正交基处表达，当分块处为噪声信号和直扩系统信号时，关联系数的计算结果就会比较小，当分块处为干扰信号时，关联系数的计算结果就会比较大。这一特征就会使关联系数向量值与交流变频器传导干扰信号之间存在一种确定的对应联系[9]，为此，将γ=[γ1，γ2，…，γg]作为交流变频器传导干扰抑制的特征向量。

2.2 分析交流变频器传导干扰特性

交流变频器传导干扰混叠在回波中，通过天线进入到交流变频器中，与回波信号共同处理。天线接收到的信号模型表示为

(3)

式(3)中，sR(t)表示交流变频器发射信号的回波，x(t)表示传导干扰信号，n(t)表示随机噪声。

交流变频器传导干扰信号通常为窄带信号，信号的频率变化为慢变信号，可以将传导干扰信号看成单频信号。

由于传导干扰是有源的，在一段持续的时间内，干扰频率基本保持不变。天线阵列接收到交流变频器传导干扰信号，由于传导干扰信号到达每一个天线的波程是不同的，就会导致波程差之间产生相位差[10]，那么第k根天线接收到的交流变频器传导干扰信号模型为

(4)

在此基础上，采用线性调频连续波作为交流变频器传导干扰的发射信号，模型为

(5)

交流变频器接收到的信号经过处理之后就形成了RD谱，通过对交流变频器传导干扰进行处理[11]，得到传导干扰解速度之后的数学模型，并将其表示为

(6)

根据s(t)fc可以明确得出交流变频器传导干扰出现在RD谱上的频率位置为fI-fc，那么，交流变频器传导干扰在RD谱上的幅值可表示为如下形式

(7)

通常来说，式(7)的计算结果是一个常数，由此可知交流变频器传导干扰的幅值是相同的，并且呈现条带状分布。对于解速度之后的传导干扰信号，通过DBF在β方向进行处理，结果为

(8)

式(8)中，wk表示信号处理的权系数，c表示信号的传播速度。

在此基础上，建立传导干扰信号的加权处理公式如下所示

(9)

式(9)中，N表示分解的角度个数。根据式(9)中可知，Q(β)的取值最大值，经过加权后的传导干扰在来波方向的幅值也是最大的，在其它方向越来越弱。

交流变频器传导干扰在RD谱上具有比较大的干扰强度，来波方向上也表现得非常明显。考虑到传导干扰的方向与目标的方向不一致，传导干扰对目标的影响程度也是不同的。因此，先分解交流变频器的传导干扰方向，在不同的方向抑制交流变频器的传导干扰，对抑制后的干扰信号进行合成，降低交流变频器传导干扰抑制对目标的影响。

2.3 交流变频器传导的干扰抑制实现

在进行交流变频器传导干扰抑制之前，先将多目标检测干扰作为基础，在PLC控制下设计交流变频器传导干扰抑制方案，实现对交流变频器传导干扰的抑制。

对于正常工作的副瓣电平而言，在不采取任何抑制措施的情况下，通过保证交流变频器传导干扰的干扰部分降低，即可提高交流变频器的工作性能。对于正常工作的电平而言，副瓣电平的能量值偏高，会导致抑制传导干扰的过程存在弊端，从而影响交流变频器的工作效率[12]。

为此，本研究通过PLC控制过程来提高交流变频器传导干扰的抑制能力，采用构建目标优化函数和优化方法，实现交流变频器传导干扰的抑制。

通过交流变频器传导干扰特征提取，将P个发射信号波形的编码长度设置为L，采用矩阵的方式表示为

S=[s1，s2，…，sP]

(10)

式(10)中，sp(p=1，2，…P)表示第p个发射波形.基于此，如果(·)T表示矩阵的转置，则发射波形可表示为

(11)

参照单点映射的原理，用xp(p=1，2，…P)表示交流变频器发射波形的反射回波，在第q个传导通道中交流变频器接收到的波形回波信号为

xq·p=[xq·p(1)，xq·p(2)，…，xq·p(n)]

(12)

针对每一条交流变频器传导通道，都会相同的时间段接收到不同波形的回波，将第q个传导通道接收到的回波信号表示为

(13)

结合交流变频器传导干扰抑制检测方法，将交流变频器的发射信号匹配干扰抑制波，对传导干扰信号进行分离和采样，表示为

(14)

(15)

在此基础上，可将第q个传导通道中干扰信号的分离和输出结果描述为

(16)

式中，SH表示共轭转化装置，W表示矩阵。

由于匹配交流变频器传导干扰抑制波时，波形之间的噪音积累，会导致副瓣距离越来越高。将交流变频器传导干扰抑制器设置为YL×P，可将式(16)改写为如下形式

(17)

在求解Y的过程中，为了保证干扰抑制波可以完成多次匹配，交流变频器传导干扰抑制器需要满足

SH⊗YH=1

(18)

在此基础上，先计算Y的通用解Yc，并分解矩阵S，得到

(19)

式中，Us表示L×P矩阵，计算Yc，公式为

(20)

然后将Y设为

Y=L×(L-P)×B

(21)

基于此，根据交流变频器传导干扰信号，设置优化矩阵，获得需要抑制的交流变频器传导干扰信号。

综上所述，本研究采用矩阵的方式设置了发射信号波形的编码长度，参照单点映射的原理，对传导干扰信号进行分离和采样，然后采用位移矩阵描述了交流变频器传导干扰，从而实现了对交流变频器传导干扰的有效抑制。

3 对比实验与结果分析

为验证上述设计的PLC控制下交流变频器传导干扰抑制方法的整体有效性，设计如下仿真加以证明。

为避免实验结果的单一性，将文献[4]中的基于频率捷变的全双工自干扰抑制方法和文献[5]中的超宽带频率开窗干扰抑制方法作为对比，从干扰分量检测率和干扰抑制有效率2个角度，与本文方法共同完成性能验证。

3.1 交流变频器传导干扰分量检测率对比分析

交流变频器传导干扰分量与干扰抑制效果之间存在直接联系。干扰分量的检测率越高，说明抑制范围越大，同时也具有更好的抑制效果。为此，对比文献[4]方法、文献[5]方法和本文方法的交流变频器传导干扰分量检测率，对比情况如表1所示。

表1 交流变频器传导干扰分量检测率对比结果

根据表1的结果可以看出，与文献[4]方法和文献[5]方法相比，PLC控制下交流变频器传导干扰抑制方法对干扰分量的检测率更高。经计算，该方法的平均交流变频器传导干扰分量检测率为93.5%。产生这一结果的原因是PLC控制下交流变频器传导干扰抑制方法在对交流变频器传导干扰进行抑制之前，先提取了交流变频器传导干扰特征，并加权处理了交流变频器传导干扰的发射信号，使得交流变频器传导干扰分量检测率变高，扩大了干扰抑制范围，从而使其具有更好的抑制效果。