[发明专利]一种变频电机长线驱动系统中电缆的综合高频建模方法

说明书

本发明公开了一种变频电机长线驱动系统中电缆的综合高频建模方法，其考虑到电缆在自谐振频率处的阻值对模型中影响很大，故对自谐振频率处电阻进行修正，即可解决电缆模型中电阻建模的困难。本发明通过阻抗分析仪测量的DM和CM阻抗特性来识别模型参数，并给出了解析设计方程，结合简化后的逆变器模型和电机模型，建立了整个驱动系统的模型，对DM过电压和CM电流进行了预测，仿真结果与实验波形吻合较好，表明了模型的有效性。此外，本发明电缆高频模型中不仅考虑高频效应还引入谐振电阻参数，模型参数求解较为简单，仅需知道被测电缆在低频段、谐振处和高频段的阻抗即可求解。

技术领域

本发明属于电机系统仿真分析技术领域，具体涉及一种变频电机长线驱动系统中电缆的综合高频建模方法。

背景技术

脉宽调制电压源逆变器(PWM-VSI)在调速驱动(ASD)系统中发挥着重要的作用，使得驱动应用更加有效。高开关速度的新型功率半导体器件提高了ASD应用的功率密度，但与高频相关的电磁干扰(EMI)问题也出现了。如果在逆变器于电机之间需要通过长电缆来连接，那么高频问题将更加严重，因为由于电缆线与电机的阻抗失配，沿电缆发生电压反射，使得在电机端产生两倍或更高的直流母线电压，这可能会破坏电缆和电机的绝缘。此外，在电缆的寄生电容上施加高的dv/dt会产生高频电流，可能导致驱动系统故障。除了电机的绝缘问题外，高dv/dt引起的高频电流也会缩短电机的寿命。为了分析长线电缆带来的影响，需要对电缆进行建模，从而仿真得到电缆末端电压等波形，评估其对电机驱动系统的影响。

在长线驱动系统的建模中，电缆模型是最关键的部分，需要与实际高频响应相一致。当然，研究人员也在全力进行研究，试图建立逆变器和电机的精确模型，这是简化驱动系统的另外两个部分。逆变器通常被看作是一个梯形或抛物线形的电压源，有时还需要考虑其内部阻抗，但由于其内阻相比电缆电阻来说，可以忽略。电机的高频模型有多种，用以表征电机的高频特性，用单一电路表征电机各相是电机各相绕组对称平衡时的通用高频模型，电机的建模也可以采用与电缆类似的方法来得到其较为准确的模型，只是电机模型在长线驱动系统中起的作用非常有限，尤其对于小功率电机，其高频模型可以简化为RL串联模型甚至开路；至此，以电缆模型为核心的长线驱动模型已全部建立。利用有理函数拟合被测电机参数，文献[M.Schinkel,S.Weber,S.Guttowski,W.John and H.Reichl,EfficientHF modeling and model parameterization of induction machines for time andfrequency domain simulations,Twenty-First Annual IEEE Applied PowerElectronics Conference and Exposition,2006.APEC'06.,Dallas,TX,2006,pp.6pp]提出了时域和频域电机模型。关于电缆模型，我们知道低频模型不足以分析长电缆驱动系统中出现的高频现象。文献[F.A.Moreira,J.R.Marti,L.C.Zanetta,Latency TechniquesApplied to the Transient Simulation of Transmission Lines Using the Z-LineModel,TransmissionDistribution Conference and Exposition:Latin America2006.TDC'06.IEEE/PES,pp.1-6,2006]采用数学模型拟合与频率相关的电缆参数，但数学推导较为抽象。目前广泛采用的是集总参数模型，按模型的介数分类，包括多阶与二阶。基于时域特性的模型得到了广泛的接受，而基于频域的电缆模型则是值得探索的另一种方法，其优点是仿真时间短，缺点是难以构造逆变器或谐波电压源。

对于长线电路模型，普遍采用PI型模型作为基本的长线电缆模型，虽然可以反映电缆的高频谐振特性，但其没有考虑电缆的高频集肤效应、临近效应和介质损耗三个高频特型。此外，在目前的电缆模型中，相比于电缆电感电容，电缆电阻在电缆模型中一般不能在全频域范围内准确建模，因为电阻在高频阻抗中占比较小且非线性度大不便于建模。

发明内容