长电缆驱动下高速永磁同步电机端侧过电压分析与抑制研究_电气自动化_机械设备_行业资讯

1引言

PWM驱动系统具有经济、节能等优点，在永磁同步电机系统中应用广泛。但是PWM驱动系统也存在一些负面。其中一点就是在逆变器的开关器件导通与关断的瞬间，dv/dt的值会很大，这会对电机产生很大的冲击；当逆变器与电机需要长电缆来传输电压信号时，可能存在电缆特性参数与电机特性参数不匹配的问题，造成电机端产生过电压、高频阻尼振荡，甚至还会烧坏电机[1-2]。因此，对长电缆驱动下高速永磁同步电机端侧过电压分析与抑制的研究具有重要的意义。

本文首先对PWM驱动系统的电压反射现象进行分析，理论介绍了脉冲上升时间、电缆特性等对电机端电压的影响[3-5]；然后分别讨论了RC滤波器和LRC滤波器两种常见抑制电机侧端电压的措施。并通过Matlab/Simulink软件搭建相关模型，对其效果进行了仿真验证。

2电压反射现象

当采用长电缆时，传输线上的PWM脉冲与传输线上行波的情况相似。PWM脉冲存在着入射波和反射波，分别由逆变器传向电机和电机传向逆变器。就像是一面镜子对入射波V+反射产生一个反射波V-，V-等于V+乘以相应的电压反射系数。负载端反射系数N2的表达式为

(1)

(2)

其中，ZC为电缆特性阻抗；ZL为负载阻抗；L0为电缆单位长度电感；C0为电缆单位长度电容。

而起端电压反射系数N1为

(3)

其中，ZS为起始端的电阻，一般情况下ZS≈0，则N1≈-1。由于ZL>>ZC，由式(1)可知，N2≈1，这样使得电机端侧的电压约为两倍的原电压。并由上分析可知，这种电压反射现象与脉冲的上升时间，电缆的长度都有关系[6-7]。

3电机端过电压和上升时间及电缆特性的关系

3.1理论分析

输出脉冲由逆变器传输到永磁同步电机所需要的时间tt小于逆变器输出的PWM电压上升时间tr时，其电机端电压幅值为

(4)

其中N2为电压反射系数，UDC为直流母线电压。

当tt≥tr时，其幅值为

(5)

由式（5）知,当tt≥tr时,上升时间与反射电压无关。当tt≥tr端反射。对于典型的低阻抗网络,起始端N1≈-1，就会使得其向电动机传输的反射波幅值为负。以致于当PWM脉冲在电缆上传输3次之后，电动机端电压的值会减小。

3.2PWM上升时间影响的仿真分析

设置仿真参数PWM脉冲电压幅值为500V，脉冲频率为500Hz。逆变器阻抗是Zs=0.5Ω/km，电阻R=0.02Ω/km，电感L0=1×e-3H/km，电容C0=13×e-9F/km，电缆长度l=1km。其仿真框图如图1所示。

观察上升时间变化时端电压波形的变化。仿真波形如图2所示。

（a）上升时间为0.01ms的电压波形

（b）上升时间为0.05ms的电压波形

（c）上升时间为0.1ms的电压波形

图2上升时间不同的电压波形图

由图2（a）、（b）、（c）仿真图可知，在电缆长度一定的情况下，脉冲上升时间越长，电机端过电压幅值越小，振荡周期越短。

3.3电缆长度影响的仿真分析

固定上升时间为0.05ms，设置电缆的长度分别为1km，2km，4km时，观察端电压波形的变化。仿真结果如图3所示。由图3（a）、（b）、（c）以上仿真图可知，在脉冲上升时间一定的情况下，随着电缆长度的增加，电机端电压幅值越大，振荡周期越长。

（a）电缆长度为1km的电压波形

（b）电缆长度为2km的电压波形

（c）上升时间为4km的电压波形

图3上升时间不同的电压波形图

3.4电缆电容特性影响的仿真分析

在固定上升时间和电缆长度的基础上，同时保持电缆的电感L和电阻R不变，比较电容C=10nF/km和C=30nF/km，仿真图如图4所示。

（a）电容为10nF/km的电压波形

（b）电容为30nF/km的电压波形

图4电容不同的电压波形图

由图4（a）、（b）仿真图可知，当电缆的单位长度电容增大时，电机端电压的振荡频率降低，振荡持续时间不变，电压峰值也降低了。

3.5电缆电感特性影响的仿真分析

固定上升时间和电缆长度，同时保持电缆的电容C和电阻R不变，比较电感L=1mH/km和L=5mH/km，仿真图如图5所示。

（a）电感为1mH/km的电压波形

（b）电感为5mH/km的电压波形

图5电感不同的电压波形图

由图5（a）、（b）仿真图可知，当电缆的单位长度电感增大时，电机端电压的振荡频率降低，振荡持续时间变长，电压峰值会增大。

4抑制电机端过电压的措施

为减小电机端过电压的现象，本文先后讨论了RC滤波器和LRC滤波器抑制过电压的措施。

4.1RC滤波器

一阶RC滤波器的拓扑结构图如图7所示。把RC滤波器的拓扑结构图中的电缆等效为若干电容和电感的集合，其等效电路图如图7所示。

RC滤波器两端的电压uf为

（6）

一阶RC电机端滤波器的两端电压和电流存在

（7）

为了确定滤波器的电阻和电容的值，要满足两个原则，其一是第一次在电机端产生的反射电压脉冲应为零，Rf=Zc时，第一条满足。其二是关于滤波器电容参数值的设计，为了电机端产生的过电压不超出一定的限制，应在电机端第二个反射波产生时，使得电压脉冲反射到达电机端的电压小于输入电压的20％。

为满足上述第二条原则，则有：

（12）

由入射电压与反射电压的理论分析得知，在传输线上，入射波由线的一端传至另一端时间为τ，则从滤波电容开始充电到第二次电压脉冲反射出现在电机端，在传输线上电压脉冲传输时间为2τ，因此可以得到：

（13）

解得的Cf值为：

（14）

式中，l为电缆长度，C0为电缆电容。

4.2LRC滤波器

为了便于分析，将LRC滤波器等效成单相电路的结构图，如图8所示。

其传递函数为：

由上式可知，通过截止频率就可以计算出相应的滤波电感、滤波电容的值。

图9为未加滤波器和分别加RC滤波器和LRC滤波器端电压的仿真波形。

由图9（a）、（b）、（c）仿真分析可得出以下结论：1）经过电机端RC滤波器滤波后,电机端能得到较好的电压波形，但是该电压脉冲的上升时间仍然很短；而变频器输出端LRC滤波器能减少这一电压脉冲比率,从而减少共模电流的幅值。（2）由于变频器的开关频率受到所用负载的要求和逆变开关管的约束,所以当变频器工作在最高开关频率时,变频器端RLC滤波器比电机端RC滤波器的损耗更小。（3）电机端RC滤波技术虽然设计简单,但是在一些深井油泵这样的特殊场合,安装难度很大。