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电力推进系统电力电子噪声的主动抑制技术进展丁四根

发表时间：2020/5/9 来源：《电力设备》2020年第2期作者：丁四根

[导读] 摘要：随着人们生活质量在不断提高，对于电力的需求在不断加大，应用电力电子变流器的电力推进系统会带来电力电子噪声并威胁可靠性。

        (青岛威控电气有限公司山东省青岛市 266000)
        摘要：随着人们生活质量在不断提高，对于电力的需求在不断加大，应用电力电子变流器的电力推进系统会带来电力电子噪声并威胁可靠性。除了采用额外的元件的无源滤波方法之外，采用结合脉宽调制（PWM）和拓扑结构的有源抑制方法可以得到更高的功率密度。本文介绍了三种主要的抑制方法：变开关频率PWM，载波移相和零共模PWM方法，其中后两者是基于逆变器并联结构。进一步的，设计双三相电机结构可以应用载波移相或者零共模PWM，实现直接在电机上对噪声的抑制。这种结构是未来电力推进中一个有潜力的方案。
        关键词：电力推进；噪声；脉宽调制；并联逆变器，双三相电机
        引言
        在电子线路中，噪声来源较多，会对电子线路造成较大的干扰，影响电子产品的正常使用，因此，分析电子线路中的噪声来源以及电子线路中噪声产生的原因，解决电子线路中噪声干扰问题十分重要，通过电子线路的噪声抑制技术分析，能够了解抑制噪音的方法，针对具体情况，对问题进行具体的分析，以达到解决噪声干扰的目的。
        1电子线路噪声的原因
        1.1半导体器件噪声
        半导体器件是电子设备的重要组成部分，PN结是半导体的基本单元，PN结是由P型半导体和N型半导体组成，这两类半导体的交汇位置存在一个势垒区域，由于在结两端的电压变化会引起在此区域的电荷数量，从而在这个势垒区域会引发一系列的电容效应。当正向的电压升高时，N区的电子和P区的空穴向耗尽区运动，而当正向电压减小时势垒区会让N区的电子和P区的空穴远离耗尽区；当反向电压减小时，会使得P区的空穴和N区的电子向耗尽区流，使得耗尽区变窄，这种变化会引起流过势垒区的电流产生细微的变化，进而产生电流噪声。
        1.2高频热噪音
        高频热噪音在电子线路中较为常见，导致这一类噪音产生的主要原因就是位于导体内部的电子处于一个持续的运动状态，这种运动并不是杂乱无章的，而且有规律性可循的，作为电子设备以及仪表的主要构成部分，导体内部如果没有电流通过，其自身电子的运动是处于一个无序状态的，导体运行的时间越长，则温度增量就越大，电子的运行速度也会有所提高，其中的电子如果处于一个无序的运动状态下，则基本上不会有电流产生，如果将电路的一部分或者整体布置到已经放大的电路内部，则噪音值也会随之升高，进而导致对高频段内运行的设备产生较为严重的影响，并且随着设备的运行，影响逐步加大。
        1.3电磁元件干扰噪音
        电子线路的一个主要结构就是电磁元件，电磁原件具有多种类型，继电器、线圈等，当电流流经电磁元件处时，由于线圈的电感和外壳的分布，电容将会向四周进行电磁能量的释放，而电磁元件的这种运动将会给其周围的电路带来不同程度的电磁干扰。同时，继电器等电磁元件在工作过程中会出现持续和反复的特征，在电流通过和切断时会产生瞬间的高压反应，导致瞬间具有浪涌特征的电流产生，同时对周围的线路产生干扰，并出现震动状态，导致产生噪声。
        2电力推进系统电力电子噪声的主动抑制技术进展
        2.1双三相电机结合调制算法实现振动抑制
        电机系统的振动噪声来源有多个因素，在电力推进领域，电机的转矩脉动导致的振动是不可忽视的一个因素。逆变器驱动电机时的高频谐波电流能够产生高频的转矩脉动，影响电机的高频振动噪声，尤其是传导到负载机构的高频振动噪声。为了抑制电机的转矩脉动，可以采用上述双三相电机结合逆变器载波移相的调制算法进行改善。

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另外电机总转矩是通过磁场进行叠加，与两套绕组中性点连接方式无关，而为了避免载波移相的情况下交流侧电流纹波恶化，两套绕组可以采用中性点分离的方式。
        2.2硬件线路抑制噪声技术
        噪声对设备危害最为严重，会影响设备的正常工作，在噪声干扰下生成乱码，影响设备运营工作，因此，采用一些方法抑制噪声十分重要，硬件线路抑制噪声技术就是一种有效抑制噪声的技术，能够解决噪声问题，为设备的正常运行创造条件。硬件线路抑制噪声技术主要包括以下几点内容，第一，运用光隔离方法抑制噪声，光隔离方法是硬件线路抑制噪声技术的主要应用形式之一，是一种较为理想的隔离方法，能够有效解决强磁场以及雷电等影响因素导致的噪声问题。光隔离方法工作可靠，结构简单，只要安装一些光隔离配件即可，具有广阔的发展前景。第二，电气隔离技术，电气隔离技术主要应用于大功率的长运输线，主要功能是防止大电流、高电压等强电形成干扰信号，进入控制系统内部与智能仪器，影响系统的正常运行。电气隔离技术的核心是将信息传输路径在电气上隔离，使线路之间的电气不再连接，互相独立，从而解决电气干扰问题，降低噪声来源。
        2.3零共模PWM
        并联变换器采用载波移相PWM可以降低共模电压，然而载波移相并没有充分利用并联变换器多矢量组合的自由度，共模电压仍然存在。为了实现并联变换器的共模电压消除，需要特殊设计一种调制策略，即零共模PWM。根据原三相逆变器的6个有效矢量（100，110，010，011，001，101），选择两个相邻的有效矢量可以合成6个新的并联有效矢量（210，120，021，012，102，201），比如210矢量是由100和110两个矢量合成的新并联电压矢量，另外还存在两个并联零矢量（111+000）和（000+111），即两个逆变器各自采用111和000，合成效果仍然是零矢量。此时并联逆变器的参考电压合成可以等效于六个并联有效矢量及两个并联零矢量对参考电压的合成，而这8个并联矢量都满足同时存在三个“1”和三个“0”的特点，即可以保证共模电压的消除。
        2.4电磁兼容EMC技术
        电磁兼容EMC技术作为一门专门针对电子产品抗电磁干扰和电磁辐射的技术，能够解决电子线路之间的电磁辐射问题，限制电子线路在工作中产生对其他电子线路产生干扰，防止电子线路对外界的电磁干扰过于敏感。电磁干扰产生的原理是，经过信号线、接地线和电源线的电磁干扰，会进一步传送到敏感设备，进而发挥干扰作用，基于对此的分析和发现，在利用电磁兼容技术对抗线路的噪声干扰，可以从地线设计、线路板设计、滤波设计和屏蔽与搭接设计四个方面着手。地线设计，从电压概念上来说，地线是提供一个等电位，从电流上来说，地线是提供一个电流通道。因此，合理设计地线，能够有效消除电磁干扰。在进行接线设计时，要合理设置工作接地点，要根据电路的工作来选择接地方式。线路板设计，设计好线路板能够有效减少电子线路上的产生的电磁辐射以及减弱电子线路对外界磁辐射的敏感，因此，在进行电路板设计时，要注意布局布线，敏感的电路要进行电磁兼容防护。
        结语
        综上所述，对电子线路的噪音以及抑制技术进行分析，发现电磁兼容技术、屏蔽技术、滤波技术都可以很好的实现噪音的有效降低，一方面提高了线路的运行质量和效率，另一方面提高了系统的安全性。滤波技术的合理应用，对于电路板的设计工作、理论研究工作以及系统开发都有着积极的意义。合理的应用数字电路以及射频电路，可以实现系统的高精度运行，实现了噪音的高效率抑制。
        参考文献:
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        [3]李永东，王琛琛．交流变频调速在轨道交通牵引系统中的应用[J]．电气时代，2005，25(5)：58-62．