一種用于降低開關(guān)電路電磁噪聲的裝置設(shè)計

祝 福,姜竹楠,張 哲,王棟祺

(沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院,遼寧 沈陽 110136)

1 噪聲源

1.1 機械噪聲

機械噪聲主要指機械在運行過程中所產(chǎn)生的非正常運行聲音,是噪聲的重要組成部分。噪聲的產(chǎn)生主要是由于電機結(jié)構(gòu)的不同和摩擦所產(chǎn)生的聲音,其中主要包括了機械在運行中可能會出現(xiàn)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不平衡、轉(zhuǎn)子之間的摩擦以及轉(zhuǎn)子之間的結(jié)構(gòu)共振等等,這些問題的出現(xiàn)都會產(chǎn)生不同的噪聲。如果是由于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不平衡造成的,那么機械在進行高速運轉(zhuǎn)就會產(chǎn)生比較大的離心力,從而導(dǎo)致機械的外殼產(chǎn)生共振,形成噪聲;或者是在運轉(zhuǎn)的過程中,轉(zhuǎn)子和軸承之間的摩擦或是裝配錯誤,都會帶來較大的噪聲。在機械噪聲中,可以采取做平衡測試的方法來減小噪聲,通過平衡測試來檢驗噪聲的發(fā)源,再通過降低平衡,或者調(diào)整軸間距等方式來達到降噪的目的[1-3]。

1.2 空氣動力噪聲

空氣動力噪聲是噪聲產(chǎn)生的重要組成部分,不同于機械噪聲;空氣噪聲主要是由于開關(guān)磁阻的雙凸極結(jié)構(gòu)在高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生了一定的空氣阻力,進而形成空氣動力噪聲。尤其是在電機高速運轉(zhuǎn)的同時,由于轉(zhuǎn)子在凸極旋轉(zhuǎn)交替產(chǎn)生了一定的空氣湍流,從而形成一種的新的噪聲,被稱為渦流噪聲。同時,旋轉(zhuǎn)噪聲主要是由于轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動的過程中,對周圍的空氣產(chǎn)生規(guī)律性的打擊,從而出現(xiàn)氣流的脈動現(xiàn)象。可以通過增加空氣被擠壓的縫隙面積或者改善轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)添加凹槽填充物等方式來減少這些噪聲的產(chǎn)生[4]。

1.3 電磁噪聲

電磁噪聲是SRM 的主要噪聲之一,這主要是由于電機在旋轉(zhuǎn)過程中,由于受到電磁共振所產(chǎn)生的變化的磁吸力而產(chǎn)生的噪聲。電磁噪聲會受到電機的級數(shù)、電機的功率以及定轉(zhuǎn)子極弧等。當(dāng)SRM 開始通電時,這一相定子的磁極和轉(zhuǎn)子的磁極之間所產(chǎn)生的空氣縫隙就會產(chǎn)生一定的磁吸力,而磁吸力可以分為兩個分離,一個是切向力,磁吸力主要是通過吸力為電機來提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩,從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子在磁吸力的作用下進行旋轉(zhuǎn),但由于磁吸力在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中呈現(xiàn)出高度的非線性特點,導(dǎo)致在運行過程中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)矩脈動,從而使得電機運行不穩(wěn)定,產(chǎn)生共振發(fā)出切向力的噪聲;二是徑向力,即通過不斷壓縮定子和轉(zhuǎn)子之間的空氣縫隙,是定子被迫壓縮變形,從而帶動機殼產(chǎn)生較大的噪聲。無論是切向力還是徑向力都是通過脈動的方式共同導(dǎo)致SRM 的電磁噪聲,造成電機運行不平穩(wěn)。

2 降低開關(guān)電路電磁噪聲的方式

2.1 轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)法

轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)法主要是用過用函數(shù)的表達的方式來將定距和轉(zhuǎn)矩按照一定的規(guī)矩和規(guī)則來分配給勵磁,最后再通過轉(zhuǎn)矩來將相演變成為電流,從而促使電流的傳遞速度變得更加平滑。而轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)發(fā)在這一過程中,主要是通過用函數(shù)來表達電流的速度,從而提高電流運輸?shù)姆€(wěn)定性,達到降低轉(zhuǎn)矩動脈的目的,實現(xiàn)函數(shù)的多種形式分配,但不變的是無論哪一種形式都需要在換相的時候保持轉(zhuǎn)矩的恒定。轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的控制方式也十分簡單,但對于電機的最大速度具有一定的限制[5-6]。

2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制方法

直接轉(zhuǎn)矩控制方式在這里簡稱為DTC,DTC 相較于其他轉(zhuǎn)矩控制方式而言,主要是通過上文提到的轉(zhuǎn)矩反演為電流參數(shù)的方式來控制電流,將轉(zhuǎn)矩作為降噪的對象,從而根據(jù)轉(zhuǎn)矩在轉(zhuǎn)動過程中所產(chǎn)生的不同數(shù)值指合成轉(zhuǎn)矩差值,從而提高對轉(zhuǎn)矩的控制能力。這一方式能夠較大的較少在數(shù)制轉(zhuǎn)換過程中可能出現(xiàn)的誤差,也極大地減少了轉(zhuǎn)矩在運行過程中可能出現(xiàn)的脈動現(xiàn)象。但這種控制轉(zhuǎn)矩來降噪的方式并不能完全適用于SRM 轉(zhuǎn)矩,目前比較廣泛的應(yīng)用到三相電機上。

2.3 微步控制法

微步控制法是針對抑制步電機的轉(zhuǎn)矩動脈而提出的,但由于SRM 電機和步進電機的結(jié)構(gòu)十分相似,因此也能夠應(yīng)用到SRM 的轉(zhuǎn)矩脈動抑制中。微步控制法顧名思義就是通過減少電機的步進角,使得電機在換相過程中,其中一相轉(zhuǎn)矩下降另一相轉(zhuǎn)矩卻在上升,從而使得電機輸出更加平滑,也能夠有效抑制轉(zhuǎn)矩的脈動。相較于其他控制方式而言,微步控制十分簡單并且極易容易上手實現(xiàn),只需要將原有的單相電變?yōu)閮上嚯娀蛘呤嵌嘞嚯娤嗤?就能夠事電機的步進角縮小,從而實現(xiàn)微步控制。步進電機通常的運行速度比較低,對于微步控制而言則效果明顯,但SRM 卻有較高的運轉(zhuǎn)速度,這就使得在運行過程中,相電流必須要緊跟著參考電流,避免出現(xiàn)步進角步數(shù)分值過大難以控制的問題。

2.4 變結(jié)構(gòu)控制方法

變結(jié)構(gòu)控制方式就是常說的滑?？刂?。主要是用于通過干擾控制方式來實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩動脈的抑制。變結(jié)構(gòu)控制當(dāng)時通過將轉(zhuǎn)矩動脈轉(zhuǎn)化為外部干擾,通過所得數(shù)值和控制量來減少噪聲的傳播[7]。

變結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于控制方式簡單,對相關(guān)工作人員的要求不高,并且不會受到其他干擾項的影響,是控制噪聲的常用方式之一。但變結(jié)構(gòu)的缺點也同時存在,就是會受到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的加速度影響,從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)值產(chǎn)生一定的偏差,發(fā)生抖動現(xiàn)象。

2.5 模糊控制法

在傳統(tǒng)的控制方法上,通常會認(rèn)為控制信息越清楚,控制效果就會越好。但隨著科技水平的不斷提高,在復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的控制方面,就難以再繼續(xù)遵循這個規(guī)律,這主要是由于過多的變量難以被精確地描述出來,從而導(dǎo)致傳統(tǒng)的方式無法進行有效的控制。模糊控制就是在這一背景下應(yīng)運而生的。模糊控制隸屬于度函數(shù),主要是通過判斷輸入值的隸屬度進行控制,這一控制方式能夠有效簡化系統(tǒng)的復(fù)雜程度,同時也可以向變結(jié)構(gòu)控制方式一樣,不依賴電機先驗知識。但由于模糊控制隸屬于度函數(shù),在一定程度上具有一定的盲目性,簡單的模糊處理也會影響控制的精確程度,但過于復(fù)雜的模糊處理又會嚴(yán)重降低控制的效率,并且無法保障控制的結(jié)果[8]。

2.6 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法是近年來新興起的一種控制方式。相較于以上的控制方式而言,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)任意復(fù)雜的非線性函數(shù)的逼近,并且具有較強的自適應(yīng)能力,因此非常適合應(yīng)用到SRM控制之中。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作具體需要從兩個階段來展開:人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練期,即通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)能力來調(diào)整自身的控制狀態(tài),當(dāng)誤差被調(diào)整到可以接受的范圍之后,就會進入下一個階段——工作期。工作期的連接權(quán)值是固定的,主要是通過輸入產(chǎn)生控制輸出值。其中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等,這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分支均已經(jīng)應(yīng)用在交流電機之中。

2.7 迭代學(xué)習(xí)控制法

迭代學(xué)習(xí)控制法是一種更加智能的控制方式,不需要辨識系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù),只需要通過不斷迭代來修正系統(tǒng)中的錯誤從而達到改善和控制質(zhì)量的目的,主要適用于不斷充分同樣軌跡的系統(tǒng)。在上文中我們已經(jīng)提到過SRM 主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置角來周期性的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的輸出,而轉(zhuǎn)矩動脈也可以看作是不斷重復(fù)的軌跡干擾在,這正是迭代學(xué)習(xí)控制法十分擅長的地方,同時迭代控制法的算法也比較簡單,不僅易于控制,也容易編寫。因此迭代控制法相較于以上6 種降噪的方式更能夠適應(yīng)SRM 轉(zhuǎn)矩脈動降噪的需求。因此本文以迭代控制法作為基礎(chǔ),結(jié)合其他控制方式,詳細分析了每一中控制方式的利弊,從而選出最適合的降噪方式,來達到最大限度降噪的目的。

3 結(jié)語

本文首先介紹了噪聲產(chǎn)生的原因和來源,常見的噪聲主要有機械噪聲、空氣動力噪聲以及電磁噪聲3種噪聲。并提出了其中降噪的方式,例如轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)法、直接轉(zhuǎn)矩控制方法、微步控制法、變結(jié)構(gòu)控制方法、模糊控制法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法、迭代學(xué)習(xí)控制法等,詳細分析了這些降噪方式的優(yōu)缺點,并挑選出了最合適的降噪方式。