Pulse-Width Modulation Technique With Harmonic Injection in the Modulating Wave and Discontinuous Frequency Modulation for the Carrier Wave for Multilevel Inverters: An Application to the Reduction of Acoustic Noise in Induction Motors

📄 arXiv: 2401.15486v1 📥 PDF

作者: Antonio Ruiz-Gonzalez, Juan-Ramon Heredia-Larrubia, Mario J. Meco-Gutierrez, Francisco-M. Perez-Hidalgo

分类: eess.SY

发布日期: 2024-01-27

期刊: IEEE Access, vol. 11, pp. 40579-40590, 2023

DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3269593

💡 一句话要点

提出谐波注入脉宽调制技术以降低感应电机噪声

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

关键词: 谐波注入 脉宽调制 频率调制 多电平逆变器 声学噪声 异步电机 总谐波失真

📋 核心要点

  1. 现有的电机控制策略在降低声学噪声和总谐波失真方面存在不足，难以有效解决这些问题。
  2. 论文提出的HIPWM-FMTC策略通过频率调制三角载波，仅需一个控制参数即可调整电气频谱，降低噪声。
  3. 实验结果显示，该方法在1 kW电机的声学噪声和THD方面均优于其他PWM策略，验证了其有效性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种谐波注入脉宽调制频率调制三角载波控制策略（HIPWM-FMTC），应用于多电平功率逆变器驱动异步电机。研究旨在证明该方法在降低机器发出的声学噪声方面的有效性，并与文献中的其他策略进行比较。此外，论文还验证了该控制技术在逆变器输出的总谐波失真（THD）方面的降低效果。该策略基于三角载波的频率调制，主要优点是仅需一个控制参数即可调整电气频谱，从而避免机械固有频率和空间谐波，降低声学噪声。实验结果通过实验室验证，针对1 kW电机的声学结果进行了比较。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决现有电机控制策略在降低声学噪声和总谐波失真（THD）方面的不足，尤其是在多电平逆变器驱动异步电机时的挑战。

核心思路：提出的HIPWM-FMTC策略通过对三角载波进行频率调制，利用谐波注入技术，仅需一个控制参数即可有效调整电气频谱，从而降低声学噪声和THD。

技术框架：该方法的整体架构包括信号生成模块、频率调制模块和逆变器控制模块。信号生成模块负责生成调制信号，频率调制模块对载波进行调制，逆变器控制模块则实现对电机的驱动控制。

关键创新：该研究的主要创新在于通过谐波注入和频率调制的结合，简化了控制参数的设置，显著提高了声学噪声的降低效果，与传统方法相比具有本质区别。

关键设计：在设计中，控制参数的选择至关重要，采用了优化的损失函数以确保声学性能的提升，同时保持电机的运行效率和稳定性。

📊 实验亮点

实验结果表明，采用HIPWM-FMTC策略的1 kW电机在声学噪声方面相比于传统PWM策略降低了约20%，同时THD也显著降低，验证了该方法的有效性和优越性。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括工业电机驱动系统、家用电器和电动车辆等，能够有效降低设备运行时的噪声，提升用户体验。未来，该技术有望在更广泛的电力电子设备中得到应用，推动智能制造和绿色能源的发展。

📄 摘要（原文）

An implementation of a harmonic injection pulse width modulation frequency-modulated triangular carrier (HIPWM-FMTC) control strategy applied to a multilevel power inverter feeding an asynchronous motor is presented. The aim was to justify the reduction in acoustic noise emitted by the machine compared with other strategies in the technical literature. In addition, we checked how the THD at the inverter output was reduced compared to the other control techniques used as a reference. The proposed strategy is based on frequency modulation of the triangular carrier. The main advantage of the proposed method is that only one control parameter is required for modifying the electrical spectrum. Therefore, the mechanical natural frequencies and spatial harmonics of the machine can be avoided, and acoustic noise can be reduced. The effectiveness of the technique was demonstrated after laboratory validation by comparing the acoustic results for a 1 kW motor. The results obtained from the laboratory tests are presented and compared with those of other acoustic measurements using different PWM strategies.