丁 干，张泽宇

（1. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

高频PWM波反射对电机端过电压的影响

丁 干1，张泽宇2

（1. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文采用波理论分析变频驱动系统中高频PWM波反射，采用MATLAB仿真软件搭建软件模型，分析变频器输出电压波形的上升下降时间、供电电缆的长度、供电电缆分布参数及系统负载大小对电机前端过电压产生的影响，总结出高频PWM波反射对电机端过电压的影响。

高频PWM波 过电压 仿真

0 引言

随着电力电子技术的发展，变频调速在日常工业生产、交通运输中运用广泛。变频调速系统中变频器的输出端PWM波基于波反射理论分析了电机前端过电压的产生机理及危害，构建了仿真模型，参数包括变频器输出电压波形的上升下降时间、变频电缆的长度、变频电缆分布参数及负载(电机)大小等，这些参数影响过电压的产生，总结了高频PWM波反射对过电压的影响。

1 过电压产生机理

PWM波传输于变频器的后端和负载(电机)前段的长距离变频电缆，由于波反射的原因可能会出现过电压情况，严重时可能会造成电机绝缘破坏或绕组击穿等问题。

图1 均匀无损长线等效模型

通过对波理论的分析，可以得到理想情况的传输线上电压和电流与确定始端的距离为x处的相关参数，方程式如下：

采用波理论中的入射波和反射波概念对其进行研究分析，即电压或电流即为入射波和反射波之和。

当采用长电缆时，由于传输波波长与电缆长度不再有数量级差异，长电缆的分布式参数不能忽略，需要采用波反射的理论，通过分析相应的参数对PWM波反射的过程进行演算和分析。

图2 PWM脉冲波传输反射过程

图2(a)为传输线模型，图2(b)表示单个PWM波向负载端（此处负载为电机）传输，电压幅值为Us。图2(c)表示第一次反向反射波的过程，电压幅值为Us的PWM波到达负载端后发生第一次波反射，由于反射系数为0.8，故反射波幅值变为1.8 Us，此时反射波向输入端传输，与之前入射方向相反。图(d)为正向反射波过程，其反射波到达输入端后，入射波变为-0.8Us。这是由于输入端的边界条件的要求，输入端电压幅值不变，为Us，因此输入端第二次入射波幅值为0.8 Us，正向反射波幅值为-0.8 Us。依次类推，在图(e)中反映的第2次反向反射波过程中，在负载端发生了第二次反射，反射波幅值为0.64 Us，方向与入射波方向相反。以上过程即完成了一个周期的反射传输。从上面的分析可知，在单个传输周期内，包括四个过程：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，由此过程可得波传输周期时间T为：

上式中x为变频电缆长度；v为传输波的速度。

上式中L0和C0分别为电缆单位长度的分布电感和分布电容。因此，传输周期与电缆相关参数，如电缆长度，电缆分布参数等有关。

由以上的分析可知，传输波在单传输周期内，在负载端发生了两次反射，故传输波在传输过程不仅在空间上有关，而且在时间上也有影响。由于反射波传输后在负载端叠加，会形成过电压现象，而如果传输时间够短，传输波幅值尚未下降，则其反射波叠加的幅值相对较小，因此波的边沿上升时间也会影响负载端过电压的产生。

2 设计仿真

2.1 仿真模型的建立

MATLAB是一款实时仿真软件，具有很高的仿真效率和可靠性。其中的SIMULINK软件包常用于电力系统的建模、仿真和分析。

通过上述理论分析，结合实际建立PWM波变频驱动传输的仿真模型。改变上述分析结果的参数条件，包括以下参数：(1)供电电缆的长度；(2)供电电缆的分布参数；(3)传输波的上升时间等，分析负载端过电压的变化情况。

图3 单相PWM驱动负载模型

在搭建模型中，采用单相模拟电路。仿真模型见图3，为了简化采用近似PWM波形的梯形波。由于Simulink中的分布式电缆模型适用于长距离供电线路反射（一般为几km，距离短的分布参数特性仿真会出现无法收敛的情况），采用传输线模型作为传输线部件。为了简化仿真模型，采用纯电阻模拟替代高频电机模型，这样便于对相关参数研究进行修改。

对仿真电路进行仿真计算得到波形如图4。

图4 PWM电压波反射仿真电压波形图

图5 不同上升时间对负载端电压仿真波形

图4中上面图为变频器输出端PWM波形，下面为电机端电压波形。从图中可知，在电机端PWM波的边沿处由于波反射产生了振荡，出现过电压现象，图中反映的过电压幅值接近2Us。

3.2 仿真及实验结果分析

在仿真中改变相关参数，这些参数为：波形上升时间，变频电缆长度，变频电缆分布参数和负载的特性阻抗。得到这四个参数改变时对电机端过电压现象的影响情况。

1）PWM波上升时间对过电压的影响

从图5（a）到图5（d）可以看出，在其他参数（电缆长度等条件）一定的情况下，PWM波上升时间越长，负载端电压的幅值越小，越不容易出现过电压现象。这说明随着PWM波上升时间增加，PWM波形中谐波畸变率降低，高频分量减小，负载端过电压减少。

2）电缆长度对PWM波反射过电压的影响

从图6（a）到图6（d）可以看出，在其他参数一定的前提下，随着电缆长度的增加，负载端过电压越大。这是由于波在介质中的传输速度一定，电缆长度越长，波在介质中的传输时间就越长，即电机端的高频振荡越大，振荡时间越长，传输线上的传输波叠加越多，那么负载端的反射波电压幅值越大，越易产生过电压现象。

图6 不同电缆长度对应负载端电压仿真波形

图7 不同分布电感对应负载端电压仿真波形

图8 不同分布电容对应负载端电压仿真波形

3）电缆分布电感对电压波反射过电压的影响

由图7(a)到图7(d)可知电缆分布电感越大，电缆波阻抗越大，根据前文对波反射的分析可知，反射系数越小，电动机端过电压幅值越小。

4）电缆分布电容对电压波反射过电压的影响

图9 不同负载特性阻抗对应负载端电压仿真波形

由图8(a)到图8(d)可知电缆分布电容越大，电缆波阻抗越大，根据前文对波反射的分析可知，反射系数就越大，电动机过电压幅值也就越大。

5）负载特性阻抗对电压波反射过电压的影响

由图9（a）到图9（d）可以看出，当电缆长度一定时，负载特性阻抗ZL越大，根据波反射原则可知，负载特性阻抗与电缆特性阻抗就越不匹配，反射系数就越大，负载端电压幅值就越大。

3 结束语

采用MATLAB仿真软件通过建立单相PWM驱动负载模型，PWM脉冲电压上升时间越长，电缆长度越短，电缆分布电感越大，电缆分布电容越大，负载特性阻抗ZL越小，可以减小电机前端反射过电压的产生。

[1] 万健如, 禹华军. PWM变频调速系统电机特性变化对过电压影响的研究[J]. 电工技术学报, 2002, (04): 83-87.

[2] 万健如等. 高频PWM脉冲波传输引起电机端子过电压的研究[J]. 中国电机工程学报, 2001, (11): 42-46.

[3] 林志强. 高频PWM脉冲电压引起电机绝缘过早损坏的研究[D], 天津大学, 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 文献分类号：1003-4862（2012）06-0066-04

2015-04-29

丁干(1981-)，硕士，工程师。专业方向：电气系统。