[发明专利]一种变频传动系统电机侧共模阻抗的提取方法

说明书

本发明公开了一种变频传动系统电机侧共模阻抗的提取方法，其通过测量变频传动系统电机侧的共模电压和共模电流的时域波形，以及通过后续的数学计算，获得变频传动系统电机侧共模阻抗的频谱特性。相较于传统的通过电磁数值计算法和通过网络阻抗分析仪提取阻抗参数的方法，本发明方法不需要建立复杂的电机或是线缆模型，过程更加简便且易于实现。在传统方法提取阻抗过程中，提取的是电机不工作情况下的端口阻抗，而本发明的共模阻抗提取方法考虑了电机运行对端口阻抗的影响，能够更准确的预测电机侧的共模电流。

技术领域

本发明属于电力电子电磁兼容建模和预测技术领域，具体涉及一种变频传动系统电机侧共模阻抗的提取方法。

背景技术

变频器具有良好的运行特性，能够带来显著的节能效果，因此，近年来，变频传动系统在电力、机械、冶金、交通运输等领域都得到了广泛地应用，并产生了明显的经济效益。然而由于其高速开关的功率开关器件，也带来了不能忽视的电磁干扰(EMI)问题，这不但严重地威胁着系统自身的安全、稳定运行，而且还对周边其它电气系统构成了较大的威胁。

以现在变频器中大量使用的IGBT为例，当开关频率为2～20kHz时，di/dt可高达2kA/μs，如果杂散电感为30nH就能产生60V的干扰电压，当变频器产生的高频共模电压作用在电动机上，由于电动机内部存在高频寄生电容耦合作用，在电动机转轴上会耦合出轴电压，并对此轴承电容进行充电，导致电容电压升高。当电容电压远大于绝缘阀值时，将产生电容放电性电流(轴承电流)，最终在轴承上产生凹槽，增大了机械磨损，降低其机械寿命。另一方面，共模电压激励了系统中的杂散电容和寄生耦合电容，产生很大的共模漏电流，通过定子绕组和接地机壳间的静电耦合流入地形成漏电流，这个电流将通过接地导体流回电网中从而产生足够大的共模电磁干扰。

随着PWM载波频率的不断升高，由于高频特性和电压的快速上升，变频传动系统产生的共模电流对敏感设备产生的危害会更大，如何消除这些影响是当前学术界和工业界的研究热点。为了从理论上解决变频器产生的共模电流对敏感设备和系统的干扰问题，有必要建立变频传动系统的共模电流模型，从而通过该模型对变频传动系统的共模干扰问题进行分析和预测。然而，要建立变频传动系统的共模电流模型，一个必要的条件是提取变频传动系统电机侧的共模阻抗。

目前，提取变频传动系统共模回路阻抗主要有两种方法，即电磁数值计算法和网络阻抗测试法。电磁数值计算法是将麦克斯韦方程组进行离散化，形成迭代格式，进行一步一步的迭代直到得到结果为止。主要的电磁数值计算法有有限元法、有限积分法、有限差分法、矩量法。段建东在标题为PWM驱动电机系统传导干扰预测模型的硕士论文(哈尔滨工业大学，2009)中，采用基于有限积分法的CST软件，对系统的PCB板进行了参数提取。孙宏在标题为电动汽车电机驱动系统的传导电磁干扰研究的硕士论文(重庆大学，2012)中，利用多导体传输线理论，通过数值仿真软件Maxwell2D建立了屏蔽线缆的等效电路模型。然而，利用数值法提取系统参数时，必须知道准确的物理结构，计算复杂且仿真时间较长，不具备通用性。

网络阻抗测试法是目前较为常见的阻抗提取方法，姜保军在标题为PWM电机驱动系统传导共模EMI抑制方法研究的博士论文(哈尔滨工业大学，2007)中，采用实验建模的方法，用网络阻抗分析仪测量各个元器件参数，根据部件的物理尺寸和相关参数建立各部件的宽频电路模型。肖芳在标题为PWM驱动电机系统传导电磁干扰预测研究的博士论文(哈尔滨工业大学，2012)中，同样采用网络阻抗分析仪测量系统的开路、短路阻抗，从而获得传播路径的阻抗矩阵。通过这种方法获得系统共模阻抗同样需要大量的计算机资源，而且在建模过程中，如果阻抗曲线并不规则，必须对线缆和电机的宽频等效电路模型进行近似处理，最后仿真和实测之间的结果误差较大。

无论是通过电磁数值计算法还是网络阻抗测试法得到的变频传动系统共模阻抗参数，都是在系统不工作情况下的小信号模型参数。但是当系统处于运行状态下，电机的端口阻抗会发生变化，小信号模型会给变频传动系统共模电流的预测结果带来很大的误差。

发明内容