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脉宽调变交流电动机噪音
初步交流
本文呈现和分析了采用不同脉宽调变（PWM）技术的驱动器控制的交流电动机发出的噪音。首先讨论减轻噪音的脉宽调变途径讨论，然后通过比较对解决措施进行解释。本文考虑了五种标准，电动机类型、电动机功率、转子速度、转换频率和脉宽调变方式。
关键词：声学噪音和电磁噪音，调制策略，交流机器，变速驱动器
1.前言
其中一个交流电动机控制的脉宽调变问题是当置于安静环境中，噪音可能变得令人不可接受。从去年开始，减轻噪音已成为一个研究难点。该噪音一个重要来源是电磁场。脉宽调变电源的谐波谱是非常充足的，每个频率对电动机噪音产生直接影响。为了获取一个交流电动机的声音模型，已经进行了众多研究，但是通常情况下，这些研究没有考虑脉宽调变电源【10、7、8】的类型。然而，不同的脉宽调变方法产生不同类型的电动机噪音【5、2、10】。因为噪音很大程度上取决于人类的耳朵，所以很难对噪音分类提出量化标准。甚至定义电动机噪音和它的脉宽调变电源之间简单的关系也更加困难。
本文首先从减轻噪音的角度谈论脉宽调变的途径。然后对各种最大程度展开的脉宽调变产生的噪音进行定性和定量的比较。为了表明电动机线路电压和噪音之间的直接关系，本文将讲述噪音的一般规律，讨论实际操作中噪音的电磁场来源。黑箱模型会使这种关系更加明确。
2.噪音和交流电动机驱动器
交流电机产生噪音是因为电动机结构（主要是定子、基板和外壳）的机械振动，而且也是因为转子运动是产生的声音震动（空气扰动）。
噪音可被分为三部分【2】：我们听到的部分是机械噪音，第二部分是空气动力噪音，第三部分是电磁场产生的噪音。机械噪音是表面事故、离心、过重或不充分的轴向或径向移位、假象移动、油脂过厚、不当加工、轴移位和生锈造成的。空气动力噪音主要是由空气振动、汽笛效应和空腔谐振噪音组成。这两种噪音类型实际上与电动机电源毫不相干。在傅里叶分析中，这两种频率位于声谱（在工业应用中通常不到2000赫兹，工业应用采用P lt; 55 kW, 2或4极电机,对照图8和图9）的最底层。
电磁场噪音与电源有关。从图2中可以看出，交流电机主线电压谱和所测量的噪音频谱之间的直接关系。对于中低速和低额定速度的电动机，我们可以忽略机械和空气噪音。
电磁噪音是电器【7、8、10】内部产生的磁力造成的。最简单的解释方法是它来自于交流电机模型的刺激。它们是的电机结构因电压产生的不同类型的屈曲。电源波普的每个频率对电机结构产生不同的作用。因此噪音是电源频谱的谐波产生的所有模式刺激的结果。一个简单的后果是：频谱里的谐波数量越少，噪声越小。详细的频谱研究可以表明电压频谱辐射在噪音频谱中有其对应的辐射（在相同频率中）。
关于噪音的组成部分，本文不再详细介绍。本文将整个系统》脉宽调变无负荷供应交流电机《看作一个输入脉宽调变方法和输出噪音（空气压力）的黑箱。因此，噪音产生机制可简单的由以下链条表现出来：
脉宽调变电源→ 电机电流 → 电机振动（主要轴射线）→ 噪音
这在图1中也有所展示。分析工具主要是傅里叶变换。由于噪声是与电机电流成比例，与无负荷操作相比，电机负荷操作产生不同声音行为。
考虑到这种方式，噪音取决于电机结构、电机功率、转子速度、脉宽调变类型和脉宽调变切换频率。速度（变速控制驱动中的主要因素）对噪音的影响可如图3对其进行定性分析。
简而言之，机械和空气动力噪音将随着每分钟转数的数量不断增长，同时电磁噪音在高速时会减轻，高速时由于相邻的参考电压饱和、脉宽调变应用的副效应，脉宽调变转换次数减少。三条曲线从性质上显示出噪音各部分的速度重量：例如，为了表明它是整个噪音的最重要的部分，电磁噪音强调中速。
3.减少噪音的脉宽调变途径
脉宽调变文献中的主要研究侧重于：
——变频器线性区域扩展
——切换损失最小化
——噪音减少
几乎所有的脉宽调变新途径都有共同点：采用不同方式的脉宽调变方法都是零电压，目的是改善其中一个枚举点。最熟知的脉宽调变方法在图4【5】中列出。
噪音减少方法通常依据任意调制。三个最熟知的原则是：任意频率的脉宽调变、任意载体的脉宽调变和任意调制波动的脉宽调变。第一个原则利用了改变每个样本阶段的脉宽调变频率的观点。
第二个原则利用了任意三角载体（图5，a）)，第三个原则，母线电压任意添加或从图5，b)的调制波动中任意删减的一部分。（第二和第三原则都属于施耐德电气的专利）
结果相同：电机主线电压的光谱能量在大规模地水平方向上被分散，因此k*fPWM 周围的高谐波消失。同样的结果在噪音频谱中可见。
本文可以在图7中展示任意调制波动PWM的实验结果。4KWATB电机无任何负荷，fm= 25 Hz ， fPWM =4kHz， 测量的V21 电压应用于采用ATV58驱动的电机中。数字空间卡系统用于测量和分析。
图7呈现了。1.5kW LS电机的任意频率PWM的实验结果。
fm=25 Hz 平均切换频率是fPWM=4 kHz。根据用于随机生成的规则，切换频谱可能因情况不同。这关系到以上提到的三个随机PWM方法。
任意频率的PWM有其对应的名为PS的数字资料发送机（DDT），任意载体PWM的原理与RCD几乎一致，随机调制PWM与RZD相对应。从调制波/载体方法【1、6】角度讲，RZD和RCD在一定程度上不同于他们的同系物。
我们可以将这些PWM途径归类为高频率零电压方式，因为用于变压器的额定电压在每个抽样阶段改变了它的电压值。对于任意频率的PWM或任意载体的PWM而言，零电压在抽样瞬间等同于0。对于任意调制波PWM，需要等待一个公转周期，目的是获取相当于0的VNO的平均值。
4.实验噪音比较
为了更好的掌握噪音来源，按照以下五个对比标准，采用了将近200项不同措施：
——电机类型（Leroy Somer、 Unelec or Toshiba）
——电机功率（0.75或1.5KW）
——转自速度
——PWM方法（三个阶段的PWM，任意调制PWM，DPM1 和DPWMMIN）
——切换频率fPWM(2, 4, 8 or 16 kHz)
有关所采用的五台电机的细节可在附件中查看。为了找出几乎一模一样的不同年代和支架电机的不同之处，选用了两台1.5kW的Leroy Somer。T0.75和LS0.75的最大不同是前者采用活动支架，后者采用到刀状支架。U1.5和LS1.5-1或LS1.5-2之间的差异在于极数。
文章最后附加内容中有关于我们所使用的5种电机的细节。我们选择了两个1.5KW的LS电机，以比较除了使用年龄和机架不同之外，其余几乎相同的电机之间的差异。T0.75和LS0.75型号的电机之间的主要差别就是，前一个的机架较平滑，而第二个是叶状的机架。U1.5和LS1.5-1或LS1.5-2之间的区别是磁极的数量。
有关四种PWM技术的细节可以参考文献【5】。我们从三种不同类别的技术中选择了一些：三相PWM技术是工业中应用最为广泛的经典定频方法，随机调制PWM技术是特别为降低噪声而构思的技术，而DPWM1和DPWMMIN方法是为了降低开关损耗而采用的。这三种PWM类型的电压频谱各不相同。
我们在距离电机20cm的地方放置了一个扩音器，以用于噪声测量【3】。A计权气压测量值用倍频带的第三部分表示，其单位用dBA表示。倍频程是比相邻频率间隔大一倍的频率间隔。基频为12.5Hz。为了获得A计权、B计权或者C计权的信号，我们采用了模拟相等声强曲线的简单网络来处理测量的噪声信号。A计权信号是最常用的信号，因为该信号反映了人耳对不同频率的感受。简单来说，A计权信号能轻微加强1000Hz到8000Hz之间的频率（中频），但是会减弱低频和高频。信号频谱的有效值不是通过有名的有效值方程来获得的，而是通过放大并提取某特定带宽的信号后使用测量工具进行直接计算【3】而得到的。因此该有效值就是声波信号的图像。
如果我们将五种电机的答案比作不同转速下的网络电源（图8）或者PWM供给（图9，图10），我们首先会注意到PWM供给对噪声的影响：相同速度下，机械噪声和空气动力噪声基本相同，但是噪声有效值存在5到12dBA的差别。例外情况是，U1.5电机的空气动力噪声非常重要以至于PWM基本上在fm=50Hz时没有作用。这一点在图10中得到了证明，图10中，由于U1.5的转速更低，因此其有效值更低，而对于其他所有的电机，由于电磁噪声更大，fm=25Hz时的有效值比fm=50Hz条件下的要大（见图3）。
比较LS1.5-1/LS1.5-2和LS0.75/T0.75可知，电源相同、磁极数量相同的电机转速相同时，它们之间的差异不大。由于机架类型相同，LS0.75和T0.75之间存在2-4dBA的差别，但是相比较其他参量——如速度、PWM方法或fPWM等——带来的差异来说，该值可忽略不计。
LS1.5-1/LS1.5-2与LS0.75/T0.75之间的比较显示出一个明显的特征：噪声随着电机功率的降低而降低。该差异在高转速的情况下不太明显，因为高转速情况下空气动力噪声占主要地位，但是随着速度的降低该差异会变得越来越明显（高fm时为2-4dBA，而中频和低频fm时为5-12dBA）。
从图11中可得到一项非常有趣的结果：转速相同、开关频率fPWM相同时，DPWMMIN供给下的不同电机之间的响应相同。
正如我们在图12和图13中所看到的，当速度从0Hz变化到额定速率时，fm噪声函数的波动会随之增加，但是在额定速率之前的10-15Hz时下降。该情况在fPWM=2和4kHz的条件下会发生，而在fPWM=8或16kHz的条件下，速度从额定速率的一半增加到额定速率时该情况会发生或者变化差异不明显（图18）。该变化与PWM方法、电机类型或电机电源无关。有意思的是，气压的有效值（声学噪声）随着频谱中最重要的谐波（当fPWM = 4 kHz时，三相PWM为8kHz，DPWM1或DPWMMIN为4kHz）的幅度变化。
图15显示了噪声的一般趋势。很自然的，随机调制PWM的有效值比三相PWM的要高：随机PWM产生的噪声“量”更高，但是由于这些噪声出现在噪声频谱的很宽的频谱范围内，因此更让人感到愉悦。
比较由不同开关频率产生的噪声，结论也很简单：噪声从2kHz降低到16kHz。fPWM=2kHz和fPWM=16kHz之间的有效值差异从1变化到13dBA。比较fm =1Hz和fm = 50Hz时出现最大的差异值。即使有效值之间的差异不大，当增加开关频率时，声学感受完全不一样。这是因为频谱线醉着fPWM的增加而向高频率移动。高频相比于低频更能让人耳感觉愉悦。
有关PWM方法噪声变化的讨论非常宽泛而复杂。我们将把该讨论限制在少数几个评论中。气压的总量（噪声有效值）不足以区分PWM方法。高频谐波出现的频率是决定性的。这也是为什么随机PWM方法能“降低”噪声：频谱中没有高dB值的频谱线，即使在其他PWM技术的报道中总体有效值有时更高。
在fm = 50Hz时，由于空气动力噪声的影响，各PWM方法之间的差别不明显。有时频谱甚至是相同的。讨论低速情况下噪声降低，则随机PWM的效率是最好的（图16）。由于低频频谱线更容易被人耳所感知，因此即使许多情况下，DPWMMIN的有效值比其他PWM方法的更低，该方法下的噪声降低程度也不能达到随机PWM方法下的效果。但是在fPWM=2kHz或fPWM=16kHz时，随机PWM的效率不再明显。
图17展示了不同PWM方法和转速条件下的噪声有效功率。对于不同的fPWM和不同的电机，一般性的行为是一样的：
——fPWM=4kHz时随机PWM的效率很清楚。即使在相同的fPWM条件下，随机PWM的有效值也比其他方法的要高，该方法下的声学感受比DPWM1或者三相PWM方法的更可接受。
——在相同开关频率（4 kHz）以及中高转速的条件下，固定频率三相PWM相比其他方法能产生最高级别的噪声。
——另一方面，即使DPWM1的有效值比三相PWM的低，实际上在任何开关频率下DPWM1产生的噪声都是最糟糕的。
低fm时，两相PWM（如本例子中的DPWM1）产生的噪声的有效测量值将增加（图17，图18）。该噪声是重复噪声，其频率为参考频率的6倍（6*fm）。PWM方法的重复电压饱和点可以解释这一点。如，DPWMMIN有三个电压饱和点，但是噪声频谱上出现频率为3*fm的频谱线。我们听到的噪声在3*fm的频率上重复
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