PLC控制下交流變頻器傳導干擾抑制方法仿真

徐秀萍，苗百春

(大連海洋大學應用技術學院，遼寧 大連 116300)

1 引言

逆變電路和整流電路對交流逆變器的電磁信號存在干擾作用，而形成干擾的原因主要是因為IGBT高速開關的動作讓電壓和電流發生了改變[1]。近年來，交流逆變器的電磁干擾問題也引起了相關領域的廣泛關注。

交流脈寬調制技術是一種隨著現代逆變電源技術的發展逐漸應用到電子功率的調制方法。但交流PWM技術在提高逆變器調速性能的同時，也造成了嚴重的電磁干擾問題。當交流逆變器的電磁干擾非常嚴重時，往往需要高階的電磁干擾濾波器[2]。然而，對于體積有限的中小型交流變換器，高階EMI濾波器會增長變換器的體積，從而對變換器的功率密度產生影響。另外，負載電流會導致濾波器中多個共模電感的功率損耗，降低濾波器的整體效率，使其失去市場優勢[3]。

皇甫雅帆[4]等人建立了一種基于頻率捷變的全雙工自干擾抑制方法，其目的在于抵制全雙工系統和基站系統在引入靈活時隙配置技術時形成的干擾，這樣有利于抑制基站用戶進行不同時隙配置時的需要。臧維明[5]等人首先通過雷達方程對引起覆蓋力的主要要素起決定作用，接著對通帶干擾信號的特征建立模型，然后經過回波信號的處理形成陷波濾波機制，這樣有利于抑制窄帶的干擾加窗作用。

結合以上研究背景，本研究以交流變頻器為研究對象，在PLC控制下對交流變頻器的傳導干擾抑制展開仿真設計，以期有效消除交流變頻器的電磁干擾。

2 交流變頻器傳導干擾抑制方法仿真設計

2.1 提取交流變頻器傳導干擾特征

交流變頻傳導過程中在電磁干擾的情況下，接收到的信號x通常是由背景噪聲、干擾噪聲以及直擴系統信號組成[6]，將其表示為

x=sDs+j+ε

(1)

式(1)中，sDs表示直擴系統信號，ε表示背景噪聲，j表示干擾噪聲。

在此基礎上，假設在PLC控制下，交流變頻器傳導干擾的M×N維矩陣為Φ，那么交流變頻器傳導干擾信號表示為

s=Φ(sDs+j+ε)=ΦψNBI+aNBI+e

(2)

式中，ψNBI表示交流變頻器傳導干擾信號的稀疏字典，aNBI表示交流變頻器傳導干擾信號的稀疏系數向量，e表示噪聲的分量大小。

由于直擴系統信號具有類噪聲的特征[7]，當信號位于交流變頻器的正交基處時，就不能采用稀疏表示.因此，本研究在PLC控制下重新構建信號的稀疏字典。在整個計算過程中，如果采用γi(i=1，2，…g)表示信號之間的關聯系數，通過分析PLC控制原理[8]，每一種信號都具有各自的關聯系數，由于sDs、ε和j不能在交流變頻器的正交基處表達，當分塊處為噪聲信號和直擴系統信號時，關聯系數的計算結果就會比較小，當分塊處為干擾信號時，關聯系數的計算結果就會比較大。這一特征就會使關聯系數向量值與交流變頻器傳導干擾信號之間存在一種確定的對應聯系[9]，為此，將γ=[γ1，γ2，…，γg]作為交流變頻器傳導干擾抑制的特征向量。

2.2 分析交流變頻器傳導干擾特性

交流變頻器傳導干擾混疊在回波中，通過天線進入到交流變頻器中，與回波信號共同處理。天線接收到的信號模型表示為

(3)

式(3)中，sR(t)表示交流變頻器發射信號的回波，x(t)表示傳導干擾信號，n(t)表示隨機噪聲。

交流變頻器傳導干擾信號通常為窄帶信號，信號的頻率變化為慢變信號，可以將傳導干擾信號看成單頻信號。

由于傳導干擾是有源的，在一段持續的時間內，干擾頻率基本保持不變。天線陣列接收到交流變頻器傳導干擾信號，由于傳導干擾信號到達每一個天線的波程是不同的，就會導致波程差之間產生相位差[10]，那么第k根天線接收到的交流變頻器傳導干擾信號模型為

(4)

在此基礎上，采用線性調頻連續波作為交流變頻器傳導干擾的發射信號，模型為

(5)

交流變頻器接收到的信號經過處理之后就形成了RD譜，通過對交流變頻器傳導干擾進行處理[11]，得到傳導干擾解速度之后的數學模型，并將其表示為

(6)

根據s(t)fc可以明確得出交流變頻器傳導干擾出現在RD譜上的頻率位置為fI-fc，那么，交流變頻器傳導干擾在RD譜上的幅值可表示為如下形式

(7)

通常來說，式(7)的計算結果是一個常數，由此可知交流變頻器傳導干擾的幅值是相同的，并且呈現條帶狀分布。對于解速度之后的傳導干擾信號，通過DBF在β方向進行處理，結果為

(8)

式(8)中，wk表示信號處理的權系數，c表示信號的傳播速度。

在此基礎上，建立傳導干擾信號的加權處理公式如下所示

(9)

式(9)中，N表示分解的角度個數。根據式(9)中可知，Q(β)的取值最大值，經過加權后的傳導干擾在來波方向的幅值也是最大的，在其它方向越來越弱。

交流變頻器傳導干擾在RD譜上具有比較大的干擾強度，來波方向上也表現得非常明顯。考慮到傳導干擾的方向與目標的方向不一致，傳導干擾對目標的影響程度也是不同的。因此，先分解交流變頻器的傳導干擾方向，在不同的方向抑制交流變頻器的傳導干擾，對抑制后的干擾信號進行合成，降低交流變頻器傳導干擾抑制對目標的影響。

2.3 交流變頻器傳導的干擾抑制實現

在進行交流變頻器傳導干擾抑制之前，先將多目標檢測干擾作為基礎，在PLC控制下設計交流變頻器傳導干擾抑制方案，實現對交流變頻器傳導干擾的抑制。

對于正常工作的副瓣電平而言，在不采取任何抑制措施的情況下，通過保證交流變頻器傳導干擾的干擾部分降低，即可提高交流變頻器的工作性能。對于正常工作的電平而言，副瓣電平的能量值偏高，會導致抑制傳導干擾的過程存在弊端，從而影響交流變頻器的工作效率[12]。

為此，本研究通過PLC控制過程來提高交流變頻器傳導干擾的抑制能力，采用構建目標優化函數和優化方法，實現交流變頻器傳導干擾的抑制。

通過交流變頻器傳導干擾特征提取，將P個發射信號波形的編碼長度設置為L，采用矩陣的方式表示為

S=[s1，s2，…，sP]

(10)

式(10)中，sp(p=1，2，…P)表示第p個發射波形.基于此，如果(·)T表示矩陣的轉置，則發射波形可表示為

(11)

參照單點映射的原理，用xp(p=1，2，…P)表示交流變頻器發射波形的反射回波，在第q個傳導通道中交流變頻器接收到的波形回波信號為

xq·p=[xq·p(1)，xq·p(2)，…，xq·p(n)]

(12)

針對每一條交流變頻器傳導通道，都會相同的時間段接收到不同波形的回波，將第q個傳導通道接收到的回波信號表示為

(13)

結合交流變頻器傳導干擾抑制檢測方法，將交流變頻器的發射信號匹配干擾抑制波，對傳導干擾信號進行分離和采樣，表示為

(14)

(15)

在此基礎上，可將第q個傳導通道中干擾信號的分離和輸出結果描述為

(16)

式中，SH表示共軛轉化裝置，W表示矩陣。

由于匹配交流變頻器傳導干擾抑制波時，波形之間的噪音積累，會導致副瓣距離越來越高。將交流變頻器傳導干擾抑制器設置為YL×P，可將式(16)改寫為如下形式

(17)

在求解Y的過程中，為了保證干擾抑制波可以完成多次匹配，交流變頻器傳導干擾抑制器需要滿足

SH?YH=1

(18)

在此基礎上，先計算Y的通用解Yc，并分解矩陣S，得到

(19)

式中，Us表示L×P矩陣，計算Yc，公式為

(20)

然后將Y設為

Y=L×(L-P)×B

(21)

基于此，根據交流變頻器傳導干擾信號，設置優化矩陣，獲得需要抑制的交流變頻器傳導干擾信號。

綜上所述，本研究采用矩陣的方式設置了發射信號波形的編碼長度，參照單點映射的原理，對傳導干擾信號進行分離和采樣，然后采用位移矩陣描述了交流變頻器傳導干擾，從而實現了對交流變頻器傳導干擾的有效抑制。

3 對比實驗與結果分析

為驗證上述設計的PLC控制下交流變頻器傳導干擾抑制方法的整體有效性，設計如下仿真加以證明。

為避免實驗結果的單一性，將文獻[4]中的基于頻率捷變的全雙工自干擾抑制方法和文獻[5]中的超寬帶頻率開窗干擾抑制方法作為對比，從干擾分量檢測率和干擾抑制有效率2個角度，與本文方法共同完成性能驗證。

3.1 交流變頻器傳導干擾分量檢測率對比分析

交流變頻器傳導干擾分量與干擾抑制效果之間存在直接聯系。干擾分量的檢測率越高，說明抑制范圍越大，同時也具有更好的抑制效果。為此，對比文獻[4]方法、文獻[5]方法和本文方法的交流變頻器傳導干擾分量檢測率，對比情況如表1所示。

表1 交流變頻器傳導干擾分量檢測率對比結果

根據表1的結果可以看出，與文獻[4]方法和文獻[5]方法相比，PLC控制下交流變頻器傳導干擾抑制方法對干擾分量的檢測率更高。經計算，該方法的平均交流變頻器傳導干擾分量檢測率為93.5%。產生這一結果的原因是PLC控制下交流變頻器傳導干擾抑制方法在對交流變頻器傳導干擾進行抑制之前，先提取了交流變頻器傳導干擾特征，并加權處理了交流變頻器傳導干擾的發射信號，使得交流變頻器傳導干擾分量檢測率變高，擴大了干擾抑制范圍，從而使其具有更好的抑制效果。

3.2 交流變頻器傳導干擾抑制有效率對比分析

基于交流變頻器傳導干擾分量檢測率對比分析結果，為了進一步驗證本文干擾抑制方法的有效性，測試文獻[4]方法、文獻[5]方法和本文方法的交流變頻器傳導干擾抑制有效率，結果如圖1所示。

圖1 交流變頻器傳導干擾抑制有效率對比結果

根據圖1的結果可以看出，在交流變頻器傳導干擾抑制有效率方面，PLC控制下交流變頻器傳導干擾抑制方法與其它兩種方法相比具有更好的性能，原因是本文設計的干擾抑制方法對傳導干擾信號進行分離和采樣，采用位移矩陣描述了交流變頻器傳導干擾，使得交流變頻器傳導干擾抑制更有效，交流變頻器傳導干擾抑制有效率更高。

綜合分析以上實驗結果可知，本研究設計的PLC控制下交流變頻器傳導干擾抑制方法可以提高交流變頻器傳導干擾分量檢測率和交流變頻器傳導干擾抑制有效率，說明該方法具有更好的抑制效果。

4 結束語

本研究在PLC控制下設計了一種交流變頻器傳導干擾抑制方法。在PLC控制下，提取了交流變頻器傳導干擾特征，通過分析交流變頻器傳導干擾特性，實現了交流變頻器傳導干擾的抑制。根據實驗結果可知，該抑制方法具有較好的抑制效果。