PLC控制下交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制方法仿真

徐秀萍，苗百春

(大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)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(guān)的動作讓電壓和電流發(fā)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(guān)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。

交流脈寬調(diào)制技術(shù)是一種隨著現(xiàn)代逆變電源技術(shù)的發(fā)展逐漸應(yīng)用到電子功率的調(diào)制方法。但交流PWM技術(shù)在提高逆變器調(diào)速性能的同時，也造成了嚴重的電磁干擾問題。當(dāng)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(chǎn)生影響。另外，負載電流會導(dǎo)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(yōu)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(tǒng)和基站系統(tǒng)在引入靈活時隙配置技術(shù)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(jīng)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(jié)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(dǎo)干擾抑制展開仿真設(shè)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(dǎo)干擾抑制方法仿真設(shè)計

2.1 提取交流變頻器傳導(dǎo)干擾特征

交流變頻傳導(dǎo)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(tǒng)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(tǒng)信號，ε表示背景噪聲，j表示干擾噪聲。

在此基礎(chǔ)上，假設(shè)在PLC控制下，交流變頻器傳導(dǎo)干擾的M×N維矩陣為Φ，那么交流變頻器傳導(dǎo)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(dǎo)干擾信號的稀疏字典，aNBI表示交流變頻器傳導(dǎo)干擾信號的稀疏系數(shù)向量，e表示噪聲的分量大小。

由于直擴系統(tǒng)信號具有類噪聲的特征[7]，當(dāng)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(gòu)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(guān)聯(lián)系數(shù)，通過分析PLC控制原理[8]，每一種信號都具有各自的關(guān)聯(lián)系數(shù)，由于sDs、ε和j不能在交流變頻器的正交基處表達，當(dāng)分塊處為噪聲信號和直擴系統(tǒng)信號時，關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算結(jié)果就會比較小，當(dāng)分塊處為干擾信號時，關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算結(jié)果就會比較大。這一特征就會使關(guān)聯(lián)系數(shù)向量值與交流變頻器傳導(dǎo)干擾信號之間存在一種確定的對應(yīng)聯(lián)系[9]，為此，將γ=[γ1，γ2，…，γg]作為交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制的特征向量。

2.2 分析交流變頻器傳導(dǎo)干擾特性

交流變頻器傳導(dǎo)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(fā)射信號的回波，x(t)表示傳導(dǎo)干擾信號，n(t)表示隨機噪聲。

交流變頻器傳導(dǎo)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(dǎo)干擾信號看成單頻信號。

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

(4)

在此基礎(chǔ)上，采用線性調(diào)頻連續(xù)波作為交流變頻器傳導(dǎo)干擾的發(fā)射信號，模型為

(5)

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

(6)

根據(jù)s(t)fc可以明確得出交流變頻器傳導(dǎo)干擾出現(xiàn)在RD譜上的頻率位置為fI-fc，那么，交流變頻器傳導(dǎo)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(jié)果是一個常數(shù)，由此可知交流變頻器傳導(dǎo)干擾的幅值是相同的，并且呈現(xiàn)條帶狀分布。對于解速度之后的傳導(dǎo)干擾信號，通過DBF在β方向進行處理，結(jié)果為

(8)

式(8)中，wk表示信號處理的權(quán)系數(shù)，c表示信號的傳播速度。

在此基礎(chǔ)上，建立傳導(dǎo)干擾信號的加權(quán)處理公式如下所示

(9)

式(9)中，N表示分解的角度個數(shù)。根據(jù)式(9)中可知，Q(β)的取值最大值，經(jīng)過加權(quán)后的傳導(dǎo)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(dǎo)干擾在RD譜上具有比較大的干擾強度，來波方向上也表現(xiàn)得非常明顯。考慮到傳導(dǎo)干擾的方向與目標(biāo)的方向不一致，傳導(dǎo)干擾對目標(biāo)的影響程度也是不同的。因此，先分解交流變頻器的傳導(dǎo)干擾方向，在不同的方向抑制交流變頻器的傳導(dǎo)干擾，對抑制后的干擾信號進行合成，降低交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制對目標(biāo)的影響。

2.3 交流變頻器傳導(dǎo)的干擾抑制實現(xiàn)

在進行交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制之前，先將多目標(biāo)檢測干擾作為基礎(chǔ)，在PLC控制下設(shè)計交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制方案，實現(xiàn)對交流變頻器傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致抑制傳導(dǎo)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(dǎo)干擾的抑制能力，采用構(gòu)建目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)和優(yōu)化方法，實現(xiàn)交流變頻器傳導(dǎo)干擾的抑制。

通過交流變頻器傳導(dǎo)干擾特征提取，將P個發(fā)射信號波形的編碼長度設(shè)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(fā)射波形.基于此，如果(·)T表示矩陣的轉(zhuǎn)置，則發(fā)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(fā)射波形的反射回波，在第q個傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通道接收到的回波信號表示為

(13)

結(jié)合交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制檢測方法，將交流變頻器的發(fā)射信號匹配干擾抑制波，對傳導(dǎo)干擾信號進行分離和采樣，表示為

(14)

(15)

在此基礎(chǔ)上，可將第q個傳導(dǎo)通道中干擾信號的分離和輸出結(jié)果描述為

(16)

式中，SH表示共軛轉(zhuǎn)化裝置，W表示矩陣。

由于匹配交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制波時，波形之間的噪音積累，會導(dǎo)致副瓣距離越來越高。將交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制器設(shè)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(dǎo)干擾抑制器需要滿足

SH?YH=1

(18)

在此基礎(chǔ)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(shè)為

Y=L×(L-P)×B

(21)

基于此，根據(jù)交流變頻器傳導(dǎo)干擾信號，設(shè)置優(yōu)化矩陣，獲得需要抑制的交流變頻器傳導(dǎo)干擾信號。

綜上所述，本研究采用矩陣的方式設(shè)置了發(fā)射信號波形的編碼長度，參照單點映射的原理，對傳導(dǎo)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(dǎo)干擾，從而實現(xiàn)了對交流變頻器傳導(dǎo)干擾的有效抑制。

3 對比實驗與結(jié)果分析

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

為避免實驗結(jié)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(dǎo)干擾分量檢測率對比分析

交流變頻器傳導(dǎo)干擾分量與干擾抑制效果之間存在直接聯(lián)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(dǎo)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(dǎo)干擾分量檢測率對比結(jié)果

根據(jù)表1的結(jié)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(dǎo)干擾抑制方法對干擾分量的檢測率更高。經(jīng)計算，該方法的平均交流變頻器傳導(dǎo)干擾分量檢測率為93.5%。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是PLC控制下交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制方法在對交流變頻器傳導(dǎo)干擾進行抑制之前，先提取了交流變頻器傳導(dǎo)干擾特征，并加權(quán)處理了交流變頻器傳導(dǎo)干擾的發(fā)射信號，使得交流變頻器傳導(dǎo)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(dǎo)干擾抑制有效率對比分析

基于交流變頻器傳導(dǎo)干擾分量檢測率對比分析結(jié)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(dǎo)干擾抑制有效率，結(jié)果如圖1所示。

圖1 交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制有效率對比結(jié)果

根據(jù)圖1的結(jié)果可以看出，在交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制有效率方面，PLC控制下交流變頻器傳導(dǎo)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(shè)計的干擾抑制方法對傳導(dǎo)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(dǎo)干擾，使得交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制更有效，交流變頻器傳導(dǎo)干擾抑制有效率更高。

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

4 結(jié)束語

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