一种用于永磁同步电机共模电压抑制的新型多向量顺序PWM策略

《Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation》:A Novel Multi-Vector Sequential PWM Strategy for Common-Mode Voltage Suppression in Permanent Magnet Synchronous Motors

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月05日 来源:Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation 3.8

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   摘要 随着电力器件的开关频率不断提高,在永磁同步电机驱动系统中采用脉宽调制(PWM)策略时产生的高频、高幅值共模电压问题日益突出。这种现象会引发并加剧系统内的电磁干扰以及电机轴承的电解腐蚀等危害,从而严重限制系统性能。然而,现有的共模电压抑制策略存在诸如高电流谐波失真和线性

  

摘要

随着电力器件的开关频率不断提高,在永磁同步电机驱动系统中采用脉宽调制(PWM)策略时产生的高频、高幅值共模电压问题日益突出。这种现象会引发并加剧系统内的电磁干扰以及电机轴承的电解腐蚀等危害,从而严重限制系统性能。然而,现有的共模电压抑制策略存在诸如高电流谐波失真和线性调制范围狭窄等局限性。为了解决这些问题,本文提出了一种新的多矢量邻近脉宽调制策略,该策略考虑了死区效应的影响。该方法实现了宽的电压线性调制范围和低电流谐波失真比。首先,构建了一种无零序电压的复合架构,并通过开关序列优化和载波比较脉宽调制技术对策略进行了改进。其次,设计中包含了多矢量序列组和自适应过渡带宽,以消除共模电压尖峰,使整个调制范围内的共模电压幅值抑制在 Udc/6 以下,同时提升了系统的动态响应性能。最后,通过仿真分析和实验验证,评估了所提出的脉宽调制策略在动态和静态工作条件下的可行性和有效性。

引言

随着电驱动系统向更高的速度、更高的功率密度和更好的效率发展,由脉宽调制(PWM)产生的共模电压(CMV)已成为限制性能提升的主要技术瓶颈[[1], [2], [3]]。因此,开发结合高效率、成本效益和可靠性的变频驱动解决方案至关重要[[4], [5], [6]]。电驱动系统通常采用三相两电平电压源逆变器。这些逆变器产生的高频高幅值CMV会加剧轴承电腐蚀和系统内的电磁干扰等问题[7,8]。高频CMV通过共模回路产生共模电流,其漏电流分量可能导致接地故障保护继电器误动作,从而对整个系统产生不利影响[[9], [10], [11]]。
电驱动系统中抑制CMV的措施通常分为硬件抑制方法和软件方法[12,13]。硬件方法便携性较差,会增加额外的硬件成本,并扩大系统体积[14,15]。软件抑制方法基于PWM波形生成的原理,采用控制技术来降低输出CMV或其谐波分量的幅度。考虑到传统的PWM控制策略在矢量合成中使用零电压矢量,从而产生高幅值CMV,研究人员提出了主动零状态PWM(AZSPWM)策略[16,17]、近状态PWM(NSPWM)策略[18,19]、远程状态PWM(RSPWM)策略[20,21]、断续PWM(DPWM)策略[22]等多种改进的PWM技术。这些方法通过减少或消除零电压矢量来减轻高幅值CMV;然而,它们可能会遇到电流谐波升高或线性调制范围受限等问题。Xu等人[23]提出了一种适用于全线性调制范围的通用三状态PWM策略,其开关频率仅为空间矢量PWM(SVPWM)策略的三分之二。并在不同的功率因数条件下分析了电流谐波失真情况。
然而,大多数基于传统CMV抑制调制(Reduced Common Mode Voltage PWM,RCMV-PWM)的方法忽略了死区对CMV的影响。Zhou等人[24]提出了一种考虑死区效应的AZSPWM1调制策略。该方法直接根据三相参考电压确定电压矢量扇区,通过调整电力开关的开关时机来消除共模尖峰电压。Dabour等人[25]提出了一种根据CMV幅度和调制域要求在PWM调制策略之间切换的方法。Guo等人[26]总结了在不同非零电压矢量之间切换时产生CMV尖峰的非零电压矢量组合。虽然设计了一种能够消除CMV尖峰的死区预测电流控制方法,但这种方法会降低电流控制精度。
此外,通过引入电流预测控制可以避免CMV尖峰的产生,从而降低CMV[27]。Li等人[28]为电动汽车中使用的永磁同步电机(PMSM)设计了一种改进的模型预测控制(MPC)方案,考虑了在固定直流母线电压条件下的调制策略局限性。该方案在可变直流母线电压条件下抑制了CMV。通过最小化电流谐波作为目标函数来计算最佳参考直流母线电压。然而,这需要添加DC-DC转换器组件,从而增加了硬件成本。Guo等人[29]提出了一种基于混合矢量预选策略的CMV抑制方法。结合预选策略,该方法可以在死区内消除CMV尖峰,但会失去生成这些CMV尖峰的合成电压矢量,导致电流控制精度下降。
传统的CMV抑制PWM策略存在电流谐波较高或线性调制范围有限的问题。此外,常见的NSPWM策略的线性电压调制范围较窄,仅适用于高调制域。为了解决这些问题,本研究提出了一种考虑死区效应的多矢量近状态PWM(MNSPWM)策略,该策略具有宽的线性电压调制范围和较低的电流谐波。首先,基于调制域的划分和统一的占空比表示规则,构建了一种无零序参考电压的空间合成架构。其次,通过开关序列优化和载波比较脉宽调制技术简化了策略的实现。随后,为不同的电流扇区设计了多矢量序列组和自适应过渡带宽以抑制CMV尖峰。在调制域内,CMV的幅度被完全降低到 Udc/6 以下,从而提升了系统的动态响应性能。最后,通过仿真分析和实验验证,评估了所提出策略在动态和静态工作条件下的可行性和有效性。

章节片段

共模电压的产生与调制域的划分

电驱动系统采用两电平三相电压源逆变器(VSI)。电机采用星形(Y)连接配置。逆变器将直流输入功率转换为所需频率和电压的三相交流电。然而,三相输出电压中的高频脉冲存在不平衡现象,这会对电驱动系统中的杂散电容产生高频耦合效应。
中性点N处的方程

电流扇区的划分与共模电压尖峰的形成

为了防止逆变器中任何一支路的开关状态转换时上下桥臂同时导通,每当需要改变一支路的开关状态时,上下桥臂的开关晶体管必须先失活一段时间,这段时间称为死区时间。由于死区效应,在切换桥臂开关的状态时,由于二极管自由轮转机制,会在死区期间出现等效的导通状态。

仿真结果分析

图7展示了在各种动态工作条件下的系统仿真响应波形,其中载波频率固定为10 kHz,直流母线电压 Udc = 400V。主要参数包括旋转速度 N、相 A 调制电压波形 u* ao(基于载波比较MNSPWM策略)、相 A 输出电流 ia 和CMV UCM。动态仿真的工作条件列在表10中。
图7展示了整体响应波形

结论

在永磁同步电机的传统PWM策略中引入零矢量会导致逆变器中出现共模电压,从而引发电磁干扰和轴承腐蚀问题。现有的共模电压抑制调制策略通常通过减少或丢弃零电压矢量来避免高幅值共模电压的产生。然而,这些方法仍然面临电流等问题。

CRediT作者贡献声明

朱光耀:概念构思、方法论、软件开发、日期管理、初稿编写、审稿与编辑、准备工作。
胡明辉:概念构思、资源获取、监督、项目管理、审稿与编辑。
周天泽:验证、方法论、审稿与编辑。
周强:调查研究、项目管理、验证。
罗军:可视化、资源管理、项目管理。

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朱光耀:撰写 – 审稿与编辑、初稿编写、软件开发、方法论、概念构思。胡明辉:撰写 – 审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。周天泽:撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论。周强:验证、项目管理、调查研究、概念构思。罗军:可视化、资源管理。
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