高頻PWM波反射對電機端過電壓的影響

丁 干，張澤宇

（1. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

高頻PWM波反射對電機端過電壓的影響

丁 干1，張澤宇2

（1. 中國艦船研究設計中心，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文采用波理論分析變頻驅動系統中高頻PWM波反射，采用MATLAB仿真軟件搭建軟件模型，分析變頻器輸出電壓波形的上升下降時間、供電電纜的長度、供電電纜分布參數及系統負載大小對電機前端過電壓產生的影響，總結出高頻PWM波反射對電機端過電壓的影響。

高頻PWM波 過電壓 仿真

0 引言

隨著電力電子技術的發展，變頻調速在日常工業生產、交通運輸中運用廣泛。變頻調速系統中變頻器的輸出端PWM波基于波反射理論分析了電機前端過電壓的產生機理及危害，構建了仿真模型，參數包括變頻器輸出電壓波形的上升下降時間、變頻電纜的長度、變頻電纜分布參數及負載(電機)大小等，這些參數影響過電壓的產生，總結了高頻PWM波反射對過電壓的影響。

1 過電壓產生機理

PWM波傳輸于變頻器的后端和負載(電機)前段的長距離變頻電纜，由于波反射的原因可能會出現過電壓情況，嚴重時可能會造成電機絕緣破壞或繞組擊穿等問題。

圖1 均勻無損長線等效模型

通過對波理論的分析，可以得到理想情況的傳輸線上電壓和電流與確定始端的距離為x處的相關參數，方程式如下：

采用波理論中的入射波和反射波概念對其進行研究分析，即電壓或電流即為入射波和反射波之和。

當采用長電纜時，由于傳輸波波長與電纜長度不再有數量級差異，長電纜的分布式參數不能忽略，需要采用波反射的理論，通過分析相應的參數對PWM波反射的過程進行演算和分析。

圖2 PWM脈沖波傳輸反射過程

圖2(a)為傳輸線模型，圖2(b)表示單個PWM波向負載端（此處負載為電機）傳輸，電壓幅值為Us。圖2(c)表示第一次反向反射波的過程，電壓幅值為Us的PWM波到達負載端后發生第一次波反射，由于反射系數為0.8，故反射波幅值變為1.8 Us，此時反射波向輸入端傳輸，與之前入射方向相反。圖(d)為正向反射波過程，其反射波到達輸入端后，入射波變為-0.8Us。這是由于輸入端的邊界條件的要求，輸入端電壓幅值不變，為Us，因此輸入端第二次入射波幅值為0.8 Us，正向反射波幅值為-0.8 Us。依次類推，在圖(e)中反映的第2次反向反射波過程中，在負載端發生了第二次反射，反射波幅值為0.64 Us，方向與入射波方向相反。以上過程即完成了一個周期的反射傳輸。從上面的分析可知，在單個傳輸周期內，包括四個過程：波的入射、第一次反向反射波、正向反射波和第二次反向反射波，由此過程可得波傳輸周期時間T為：

上式中x為變頻電纜長度；v為傳輸波的速度。

上式中L0和C0分別為電纜單位長度的分布電感和分布電容。因此，傳輸周期與電纜相關參數，如電纜長度，電纜分布參數等有關。

由以上的分析可知，傳輸波在單傳輸周期內，在負載端發生了兩次反射，故傳輸波在傳輸過程不僅在空間上有關，而且在時間上也有影響。由于反射波傳輸后在負載端疊加，會形成過電壓現象，而如果傳輸時間夠短，傳輸波幅值尚未下降，則其反射波疊加的幅值相對較小，因此波的邊沿上升時間也會影響負載端過電壓的產生。

2 設計仿真

2.1 仿真模型的建立

MATLAB是一款實時仿真軟件，具有很高的仿真效率和可靠性。其中的SIMULINK軟件包常用于電力系統的建模、仿真和分析。

通過上述理論分析，結合實際建立PWM波變頻驅動傳輸的仿真模型。改變上述分析結果的參數條件，包括以下參數：(1)供電電纜的長度；(2)供電電纜的分布參數；(3)傳輸波的上升時間等，分析負載端過電壓的變化情況。

圖3 單相PWM驅動負載模型

在搭建模型中，采用單相模擬電路。仿真模型見圖3，為了簡化采用近似PWM波形的梯形波。由于Simulink中的分布式電纜模型適用于長距離供電線路反射（一般為幾km，距離短的分布參數特性仿真會出現無法收斂的情況），采用傳輸線模型作為傳輸線部件。為了簡化仿真模型，采用純電阻模擬替代高頻電機模型，這樣便于對相關參數研究進行修改。

對仿真電路進行仿真計算得到波形如圖4。

圖4 PWM電壓波反射仿真電壓波形圖

圖5 不同上升時間對負載端電壓仿真波形

圖4中上面圖為變頻器輸出端PWM波形，下面為電機端電壓波形。從圖中可知，在電機端PWM波的邊沿處由于波反射產生了振蕩，出現過電壓現象，圖中反映的過電壓幅值接近2Us。

3.2 仿真及實驗結果分析

在仿真中改變相關參數，這些參數為：波形上升時間，變頻電纜長度，變頻電纜分布參數和負載的特性阻抗。得到這四個參數改變時對電機端過電壓現象的影響情況。

1）PWM波上升時間對過電壓的影響

從圖5（a）到圖5（d）可以看出，在其他參數（電纜長度等條件）一定的情況下，PWM波上升時間越長，負載端電壓的幅值越小，越不容易出現過電壓現象。這說明隨著PWM波上升時間增加，PWM波形中諧波畸變率降低，高頻分量減小，負載端過電壓減少。

2）電纜長度對PWM波反射過電壓的影響

從圖6（a）到圖6（d）可以看出，在其他參數一定的前提下，隨著電纜長度的增加，負載端過電壓越大。這是由于波在介質中的傳輸速度一定，電纜長度越長，波在介質中的傳輸時間就越長，即電機端的高頻振蕩越大，振蕩時間越長，傳輸線上的傳輸波疊加越多，那么負載端的反射波電壓幅值越大，越易產生過電壓現象。

圖6 不同電纜長度對應負載端電壓仿真波形

圖7 不同分布電感對應負載端電壓仿真波形

圖8 不同分布電容對應負載端電壓仿真波形

3）電纜分布電感對電壓波反射過電壓的影響

由圖7(a)到圖7(d)可知電纜分布電感越大，電纜波阻抗越大，根據前文對波反射的分析可知，反射系數越小，電動機端過電壓幅值越小。

4）電纜分布電容對電壓波反射過電壓的影響

圖9 不同負載特性阻抗對應負載端電壓仿真波形

由圖8(a)到圖8(d)可知電纜分布電容越大，電纜波阻抗越大，根據前文對波反射的分析可知，反射系數就越大，電動機過電壓幅值也就越大。

5）負載特性阻抗對電壓波反射過電壓的影響

由圖9（a）到圖9（d）可以看出，當電纜長度一定時，負載特性阻抗ZL越大，根據波反射原則可知，負載特性阻抗與電纜特性阻抗就越不匹配，反射系數就越大，負載端電壓幅值就越大。

3 結束語

采用MATLAB仿真軟件通過建立單相PWM驅動負載模型，PWM脈沖電壓上升時間越長，電纜長度越短，電纜分布電感越大，電纜分布電容越大，負載特性阻抗ZL越小，可以減小電機前端反射過電壓的產生。

[1] 萬健如, 禹華軍. PWM變頻調速系統電機特性變化對過電壓影響的研究[J]. 電工技術學報, 2002, (04): 83-87.

[2] 萬健如等. 高頻PWM脈沖波傳輸引起電機端子過電壓的研究[J]. 中國電機工程學報, 2001, (11): 42-46.

[3] 林志強. 高頻PWM脈沖電壓引起電機絕緣過早損壞的研究[D], 天津大學, 2001.

The Effect of HF PWM Wave Reflection on the Over-voltage of a Motor

Ding Gan1, Zhang Zeyu2
(1. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China；2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Using the wave theory, high-frequency PWM wave reflection in a inverter drive system is analyzed. Software model is built by using of MATLAB simulation software. It analyzes and summarizes the effect of some parameters on the over-voltage of the motor's front-end. This parameters includes the rise and fall time of the waveform, the length of power cables, the distribution parameters of power cables and the system load.

high-frequency PWM wave; over-voltage; simulation

TM728

A 文獻分類號：1003-4862（2012）06-0066-04

2015-04-29

丁干(1981-)，碩士，工程師。專業方向：電氣系統。