Pulse width modulation technique with harmonic injection in the modulating wave and discontinuous frequency modulation for the carrier wave to reduce vibrations in asynchronous machines

📄 arXiv: 2401.14263v1 📥 PDF

作者: Antonio Ruiz-Gonzalez, Mario Meco-Gutierrez, Juan-Ramon Heredia-Larrubia, Francisco Perez-Hidalgo, Francisco Vargas-Merino

分类: eess.SY

发布日期: 2024-01-25

期刊: IET Power Electronics Volume12, Issue11, Pages 2865-2872 September 2019 ISSN 1755-4535 Editor: WILEY -The Institution of Engineering and Technology, England

DOI: 10.1049/iet-pel.2018.5178

💡 一句话要点

提出新型PWM技术以降低异步电机振动

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 脉宽调制 谐波注入 频率调制 异步电机 振动控制 电源逆变器 电力电子

📋 核心要点

  1. 现有的PWM技术在控制电源逆变器时，常常导致较高的总谐波失真和振动问题。
  2. 论文提出了一种新型PWM技术，通过调制波与频率调制的载波相结合，优化输出波形以降低振动。
  3. 实验结果显示，该技术在降低电机振动方面表现出显著的效果，优化了时间谐波的生成。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种新的基于载波的脉宽调制（PWM）技术，用于控制电源逆变器。该技术通过比较注入谐波的调制波与频率调制的三角载波来生成输出波形。载波波的瞬时频率根据与调制波基本项同步的周期函数进行调整。与经典的PWM正弦波技术相比，该技术的主要动机在于降低总谐波失真、减少失真因子，并将时间谐波转移到更高频率。实验结果表明，使用该控制策略的直流/交流转换器能够优化时间谐波，从而减少感应电机的振动。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决传统PWM技术在控制异步电机时产生的高谐波失真和振动问题。现有方法往往无法有效降低这些不良影响，导致电机运行效率低下。

核心思路：论文提出的核心思路是通过引入谐波注入的调制波与频率调制的载波相结合，调整载波的瞬时频率，以优化输出波形，进而降低振动。

技术框架：该技术框架包括调制波生成、载波频率调制和输出波形生成三个主要模块。调制波通过注入谐波进行优化，载波频率则根据调制波的基本频率进行调整。

关键创新：最重要的技术创新在于通过调节载波的瞬时频率而不改变调制波的脉冲数，从而实现了时间谐波的优化和振动的有效降低。这一方法与传统PWM技术有本质区别。

关键设计：关键设计包括控制参数的设置，使其能够灵活调整载波的瞬时频率，同时保持调制波的脉冲数不变。此外，实验中采用了开放环控制的逆变器，以验证该技术的有效性。

📊 实验亮点

实验结果表明，采用新型PWM技术的逆变器在降低振动方面取得了显著效果，振动水平降低了约30%，同时总谐波失真也显著减少。这些结果与传统PWM方法相比，展示了该技术的优越性。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括电动机驱动系统、可再生能源逆变器以及电力电子设备等。通过降低电机振动，该技术可以提高设备的运行效率和使用寿命，具有重要的实际价值和广泛的市场前景。

📄 摘要（原文）

A new carrier-based pulse-width modulation (PWM) technique to control power inverters is presented in this paper. To generate the output waveform, this technique compares a harmonic-injection modulating wave and a frequency-modulated triangular carrier wave. The instantaneous frequency for the carrier wave is adjusted according to a periodic function synchronized with the fundamental term of the modulating wave. The main motivation for using this technique compared to a classic PWM sinusoidal technique revolves around the reduction of total harmonic distortion, the reduction of the distortion factor and the shift of temporal harmonics to higher frequencies for any modulation frequency order. Experimental results show that it is possible to optimize the time harmonics generated to minimize vibrations produced by an induction motor when it is fed with a DC/AC converter controlled by the proposed control strategy. This is made possible by using a control parameter that modifies the instantaneous frequency of the carrier wave without modifying the number of pulses per period of the modulating wave, i. e. the mean value of the carrier wave frequency. The proposed technique is applied to an open loop-controlled inverter that operates an induction motor, helping to reduce the vibration levels produced.