CN105606899B - 一种变频传动系统电机侧共模阻抗的提取方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种变频传动系统电机侧共模阻抗的提取方法

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

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种变频传动系统电机侧共模阻抗的提取方法，可以获得变频传动系统电机侧共模阻抗的大信号模型，且无需使用价格昂贵的网络阻抗分析仪。

一种变频传动系统电机侧共模阻抗的提取方法，包括如下步骤：

(1)测量系统变频器电机侧共模电压的时域波形；

(2)测量系统变频器电机侧共模电流的时域波形；

(3)通过FFT(快速傅里叶变换)将共模电压和共模电流的时域波形转换为频谱波形，进而从中提取系统变频器电机侧共模阻抗的幅频特性。

所述的步骤(1)中测量系统变频器电机侧共模电压时域波形的方法为：首先，在系统变频器的电机侧以Y型连接方式安装三相电容；然后，利用电压探头测量所述三相电容的中性点与变频器直流侧两串联电容中点之间的电压，该电压即为系统变频器电机侧的共模电压。

优选地，所述三相电容的容值满足以下关系式：

其中：ω₁＝2πf₁，f₁为变频器逆变单元中开关器件的开关频率，L₁为电机定子绕组的寄生电感，C₁为三相电容的容值。

所述的步骤(2)中测量系统变频器电机侧共模电流时域波形，即利用电流探头测量变频器三相输出线缆上的电流矢量和，即为系统变频器电机侧的共模电流。

优选地，所述的电流探头需满足以下条件：

①电流探头的带宽需在所述共模电流频率范围内；

②电流探头的测量精度需小于5mA；

③电流探头测量的最大直径必须大于变频器三相输出线缆的外径之和。

所述的步骤(3)中提取系统变频器电机侧共模阻抗幅频特性的方法为：首先，根据共模电压和共模电流的频谱波形分别计算求取共模电压的频谱包络线信号和共模电流的频谱包络线信号；进而求取共模电压频谱包络线信号与共模电流频谱包络线信号的比值，从而获得系统变频器电机侧共模阻抗的幅频特性。

本发明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，即可获得变频传动系统电机侧共模阻抗的大信号模型，过程更加简便且易于实现；且本发明方法不需要使用价格昂贵的网络阻抗分析仪，无论是从成本还是结果的准确性来说，本发明都有很大的优势。

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。通过实验测试和仿真计算结果的比较，对本发明的有效性进行了验证，本发明提出的变频传动系统电机侧共模阻抗提取方法对预测变频器共模电流有着非常好的指导意义。

附图说明

图1为本发明变频传动系统共模电压的测量示意图。

图2为变频器电机侧的阻抗比较示意图。

图3为本发明变频传动系统共模电流的测量示意图。

图4为变频传动系统实测示意图。

图5为开关频率为2kHz时共模电压的实测时域波形图。

图6为开关频率为2kHz时共模电流的实测时域波形图。

图7为开关频率为2kHz时共模电压的频域波形图。

图8为开关频率为2kHz时共模电流的频域波形图。

图9为变频传动系统直接计算得到的共模阻抗频域波形图。

图10为开关频率为2kHz时共模电压的频谱包络线示意图。

图11为开关频率为2kHz时共模电流的频谱包络线示意图。

图12为变频传动系统等效共模回路示意图。

图13为变频传动系统共模阻抗频域波形图。

图14为开关频率为5kHz时共模电流的实测时域波形图。

图15为开关频率为5kHz时共模电流的频域波形图。

图16为开关频率为5kHz时共模电压的实测时域波形图。

图17为开关频率为5kHz时共模电压的频域波形图。

图18为按图9所示的共模阻抗计算得到的开关频率为5kHz时的共模电流频域波形图。

图19为按图13所示的共模阻抗计算得到的开关频率为5kHz时的共模电流频域波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明变频传动系统电机侧共模阻抗的提取方法，包括如下步骤：

(1)测量变频传动系统电机侧共模电压的时域波形；

如图1所示，在变频器输出侧星型连接三个测试电容C1，P为星接电容中性点，O为变频器直流侧中点，U_po即为变频传动系统电机侧的共模电压，用差分探头测量共模电压U_po时域波形时，需要考虑测试电容C₁的取值范围：

首先，C₁电容值不能太大，否则与电机阻抗Z_L1并联后，会改变整个变频器的输出阻抗，如图2所示；

根据测试条件，需要Z_C1＞＞Z_L，一般当i_l＞100i_C1时，则认为C₁的插入对系统没有影响，也即：

其次，要避免C₁与电机的寄生电感L₁发生谐振，也即变频器的开关频率需避开谐振频率：

(2)测量变频传动系统电机侧共模电流的时域波形；

由于变频器三相输出线缆的工作电流之和i_a+i_b+i_c＝0；如图3所示，用电流探头测量变频器输出三相线缆电流矢量和，即为系统电机侧的共模电流。

电流探头需满足如下三个条件：

①电流探头的带宽需在所关注的共模电流频率范围内；

②由于共模电流通常几十毫安左右，电流探头的测量精度需小于5mA；

③电流探头测量的最大直径必须大于变频器三相输出线缆外径之和。

以图4所示的变频传动系统为例，用4kW变频器对3kW电机供电，电机轴承连接直流电机，发出的直流电通过大功率可调电阻消耗掉，用差分探头和电流探头测得开关频率为2kHz时共模电压和电流的时域波形分别如图5和图6所示。

(3)计算共模电压和共模电流频谱波形的包络线，并提取变频传动系统电机侧共模阻抗的幅频特性。

首先，对步骤(2)中测量得到的共模电压和共模电流的时域波形进行快速傅里叶分析，实质就是对示波器采样得到的n个时域点，按照离散傅里叶变换公式，得到N个频率点，f[k]为第k个点的频率，Y[k]为该频率点的幅值，Δt为示波器的采样时间。

由于离散傅里叶变换后得到的频域带宽f₀和示波器的采样时间Δt有如下的关系，要想FFT变换后得到的频率带宽大于10MHz，示波器的采样频率就必须大于20MHz。

按照上面离散傅里叶变换公式得到的共模电压和共模电流的幅频特性如图7和图8所示，由于频域波形在不同频率的幅值有高有低，某些频率点电压电流并没有一一对应的关系，如果直接进行计算，如图9所示，得到的阻抗幅频特性上下波动大，并不是实际的共模阻抗。

为了解决这个问题，本实施方式提出通过数学计算求出共模电压和共模电流频谱的包络线，进而通过求取共模电压频谱包络线和共模电流频谱包络线的比值，而获得准确有效的共模阻抗频谱特性。包络线实际就是所有峰值点的连线，对于频谱特性这类复杂的图形，可以在适当的区间求最大值，然后再对曲线做平滑处理。经计算，获得共模电压和共模电流的频谱包络线如图10和图11所示。

图12为变频传动系统简单的共模等效回路，将变频器以外的电机、线缆以及接地回路作为一个整体，其阻值为Z_CM，只要系统的接地方式不变，共模阻抗Z_CM就不会变化。相对于外部阻抗，变频器的内阻可以忽略不计。对共模电压和共模电流频谱的包络线进行除法运算后，最终获得变频传动系统电机侧的共模阻抗如图13所示。

为了验证所提取的变频传动系统电机侧共模阻抗的准确有效性，利用该共模阻抗参数来计算变频器在不同工作状态下产生的共模电流频谱，如果共模电流频谱的计算值与实测值相吻合，即可认为所提取的共模阻抗参数是准确有效的。具体验证方法说明如下：

按步骤(2)中共模电流的测试方法，得到的开关频率为5kHz时，共模电流的时域波形如图14所示，对时域波形进行傅里叶分析得到实测共模电流的频域波形如图15所示。

同样按步骤(1)中共模电压的测试方法，得到的开关频率为5kHz时，共模电压的时域波形如图16所示，对其求频谱得到共模电压的频域波形如图17所示，如果用共模电压幅频特性除以图9直接计算得到的共模阻抗幅频特性，得到的共模电流频谱如图18所示，和图15实测得到的共模电流频谱相差甚远。

对共模电压幅频特性和图13所示的共模阻抗求比值，得到开关频率为5kHz时共模电流的计算结果如图19所示，和图15所示的共模电流实测结果进行比较，可以看到，无论是幅值还是出现振荡峰值的频率点，该方法都能准确预测电机侧的共模电流，从而间接证明了本发明共模阻抗提取方法的正确性。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种变频传动系统电机侧共模阻抗的提取方法，包括如下步骤：

(1)测量系统变频器电机侧共模电压的时域波形，具体过程为：首先，在系统变频器的电机侧以Y型连接方式安装三相电容；然后，利用电压探头测量所述三相电容的中性点与变频器直流侧两串联电容中点之间的电压，该电压即为系统变频器电机侧的共模电压；所述三相电容的容值满足以下关系式：

其中：ω₁＝2πf₁，f₁为变频器逆变单元中开关器件的开关频率，L₁为电机定子绕组的寄生电感，C₁为三相电容的容值；

(2)测量系统变频器电机侧共模电流的时域波形；

(3)通过FFT将共模电压和共模电流的时域波形转换为频谱波形，进而从中提取系统变频器电机侧共模阻抗的幅频特性，具体过程为：首先，根据共模电压和共模电流的频谱波形分别计算求取共模电压的频谱包络线信号和共模电流的频谱包络线信号；进而求取共模电压频谱包络线信号与共模电流频谱包络线信号的比值，从而获得系统变频器电机侧共模阻抗的幅频特性。

2.根据权利要求1所述的提取方法，其特征在于：所述的步骤(2)中测量系统变频器电机侧共模电流时域波形，即利用电流探头测量变频器三相输出线缆上的电流矢量和，即为系统变频器电机侧的共模电流。

3.根据权利要求2所述的提取方法，其特征在于：所述的电流探头需满足以下条件：

①电流探头的带宽需在所述共模电流频率范围内；

②电流探头的测量精度需小于5mA；

③电流探头测量的最大直径必须大于变频器三相输出线缆的外径之和。