CN114337452B - 一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置与方法，该装置包括：反谐振线圈：为非接触空心结构线圈，用以在目标抑制模态的开关振荡传导路径上引入呈单峰带阻特性的插入阻抗，实现开关振荡主导模态的反谐振阻抗匹配；调谐单元：与反谐振线圈连接，用以调节反谐振线圈插入阻抗的峰值阻抗、谐振阻尼和谐振频率；状态感知单元：与调谐单元连接，用以根据开关振荡失谐特征的变化判断变频电机系统的状态劣化程度。与现有技术相比，本发明具有简便灵活、灵敏度高以及高效经济等优点。

Description

一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置与方法

技术领域

本发明涉及变频电机系统状态监测领域，尤其是涉及一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置与方法。

背景技术

在变频电机系统中，伴随着变流器中电力电子器件对电能进行变换与控制，高速开关暂态过程所带来的高dv/dt和di/dt会在系统中产生高频开关振荡现象，特别在采用开关速度更快的宽禁带器件(如SiC、GaN)的变频电机系统中，开关振荡现象更为显著。高频开关振荡会在变频电机系统中产生电磁干扰、绝缘与轴承加速劣化等负面影响，严重威胁系统运行可靠性，例如电机绕组端部的开关暂态过电压会使绝缘承受更大的电压应力，降低绝缘安全裕度，高频轴电压、轴电流会对轴承产生电腐蚀，缩短电机轴承寿命。状态监测技术可及时获取系统关键部件的健康状态，预防灾难性故障发生并为状态运维提供信息支撑，是提高可靠性的重要手段。因此，为提高变频电机系统的运行可靠性，有必要对高频开关振荡进行有效抑制，同时还需能及时感知变频电机系统的健康状态，以避免关键部件突然失效而导致的灾难性损失。

现有技术中针对变频电机系统开关振荡抑制和状态感知是两套彼此独立、互无关联的技术，一般需要两套装置实现。目前，变频电机系统开关振荡抑制主要采用源侧开关调控和传导路径滤波两种技术路线，源侧开关调控主要是在源侧(即变流器侧)通过调控电力电子器件开关行为(如降低开关速度、调控开关轨迹)，可以有效抑制系统中的高频开关振荡，但会增加驱动电路的复杂度，并引入额外的开关损耗；传导路径滤波是针对高频开关振荡电流的传导路径设计复杂多样的滤波器，具有体积较大、成本较高，应用场合受限等问题。另一方面，变频电机系统状态感知技术目前主要集中在电机绕组绝缘与轴承、变流器电力电器件与直流电容器等系统关键部件，着重提高对系统早期劣化状态感知的灵敏度与鲁棒性等性能，纵观现有技术，目前还没有一种技术手段能够同时实现既对变频电机系统开关振荡抑制又能对变频电机系统状态进行高灵敏感知。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置与方法，用以同时实现变频电机系统开关振荡抑制与状态感知。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置，该装置包括：

反谐振线圈：为非接触空心结构线圈，用以在目标抑制模态的开关振荡传导路径上引入呈单峰带阻特性的插入阻抗，实现开关振荡主导模态的反谐振阻抗匹配；

调谐单元：与反谐振线圈连接，用以调节反谐振线圈插入阻抗的峰值阻抗、谐振阻尼和谐振频率；

状态感知单元：与调谐单元连接，用以根据开关振荡失谐特征的变化判断变频电机系统的状态劣化程度。

所述的反谐振线圈采用开口式或闭口式骨架。

所述的反谐振线圈安装在变频电机系统中，包括电机端部、电机地线、变流器地线、变流器交流端口以及变流器直流端口位置处，当设置在变流器交流端口时，采用三相套穿或单相套穿的方式安装。

所述的反谐振线圈的工作频段为30kHz～30MHz。

所述的状态感知单元具体由谐振调节电路组成，根据待抑制开关振荡模态谐振特征Z₀(n)对插入阻抗进行反谐振匹配，所述的待抑制开关振荡模态谐振特征Z₀(n)包括谐振峰值阻抗A₀、谐振阻尼ζ₀和谐振频率f₀。

所述的插入阻抗的谐振频率和谐振阻尼分别与待抑制开关振荡模态的谐振频率f₀和阻尼特征ζ₀接近，且插入阻抗的谐振峰值根据待抑制开关振荡模态谐振阻抗确定。

所述的插入阻抗的谐振频率设置在待抑制的开关振荡模态主导频率f₀的0.95到1倍之间，插入阻抗的阻尼特征设置为与待抑制的开关振荡模态的阻尼特征ζ₀相等，插入阻抗的谐振峰值根据已确定的调谐电路参数调节为最大值。

所述的状态感知单元将从反谐振线圈抑制后的开关振荡信号中提取谐振特征Z₁(n)作为变频电机系统的初始参照状态，包括谐振阻尼ζ₁、谐振频率f₁、谐振响应幅值A₁，当变频电机系统的健康状态发生改变时，再从抑制后的开关振荡信号中提取谐振特征Z₂(n)，包括谐振阻尼ζ₂、谐振频率f₂和谐振响应幅值A₂，通过开关振荡失谐特征p＝Z₁(n)/Z₂(n)判断变频电机系统的状态劣化程度。

所述的开关振荡失谐特征具体包括谐振阻尼特征偏移、谐振频率特征偏移和谐振响应幅值特征偏移。

一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知方法，该方法包括以下步骤：

1)根据变频电机系统中开关振荡主导模态及其传导路径，确定目标抑制的开关振荡模态，并根据其传导路径选择反谐振线圈的配置位置；

2)在变频电机系统正常运行时检测目标抑制模态下的开关振荡电流信号i_sw，从开关振荡电流信号i_sw中截取开关振荡电流信号片段i_sw-res，从开关振荡电流信号片段i_sw-res中提取谐振频率f₀与谐振阻尼ζ₀；

3)针对目标抑制模态下开关振荡电流的谐振频率f₀与谐振阻尼ζ₀，设计反谐振线圈结构及其调谐电路；

4)测量被抑制后的开关振荡信号i’_sw-res，从开关振荡信号i’_sw-res中提取抑制后的系统谐振回路的谐振特征，以此作为系统的初始参照状态；

5)当变频电机系统的健康状态发生改变后，目标抑制模态的开关振荡信号发生失谐，根据失谐后的开关振荡电流信号i”_sw-res的失谐特征感知系统状态，并据此判断变频电机系统的状态劣化程度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、简便灵活：非接触式套装安全简便：开关振荡反谐振线圈具有非接触安装的特点，无需改变现有变频电机系统结构，安全简便；并且线圈的体积小、重量轻，能够针对系统中不同的开关振荡模态与关键部件进行灵活配置。

2、灵敏度高：利用失谐特征放大参数微弱变化：利用开关振荡失谐特征可以将系统状态参数的微弱变化放大，从而实现高灵敏地感知变频电机系统状态，能够在早期劣化阶段进行高效感知，避免发生灾难性故障。

3、高效经济：同时实现开关振荡抑制和系统状态感知：通过反谐振匹配作用实现对开关振荡定向高效抑制的同时利用失谐特征高灵敏地感知变频电机系统状态，同时实现开关振荡抑制和系统状态感知。

附图说明

图1a为变频电机系统示意图。

图1b为本发明开关振荡抑制与状态感知装置的原理图。

图2为本发明变频电机系统开关振荡抑制与状态感知方法的流程图。

图3为高频开关振荡电流信号i_sw的波形图。

图4为振荡完整的高频开关振荡电流i_sw-res的波形图。

图5为抑制后的开关振荡电流i’_sw-res的波形图。

图6为不同劣化程度的开关振荡电流信号i”_sw-res的波形图。

图7为变频电机系统中电机主绝缘状态变化的归一化趋势。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

变频电机系统开关振荡形成的根本原因是高速开关电压/电流陡沿激励作用在系统高频阻抗上的谐振响应，由于系统阻抗在谐振频率处呈现波谷的特征，开关振荡在谐振频率附近呈主导分布，本发明通过引入具有单峰带阻特征的非接触式反谐振线圈，通过引“峰”填“谷”与系统高频阻抗进行谐振匹配，实现对目标开关振荡的高效定向抑制，于此同时，由于变频电机系统状态发生改变会使得系统阻抗的谐振特征发生偏移，导致反谐振线圈的谐振匹配特性发生变化，通过从抑制后的开关振荡响应中提取失谐特征可以放大状态参数的微弱变化，实现系统状态高灵敏感知。

如图1a和1b所示，本发明提供一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置，该装置由反谐振线圈、调谐单元和状态感知单元组成，以下对各部分功能进行详细介绍。

反谐振线圈：反谐振线圈具有非接触空心结构，可采用开口式或闭口式骨架。根据目标抑制的开关振荡电流传导路径，反谐振线圈可以灵活地安装在变频电机系统多处，如电机端部、电机地线、变流器地线、变流器交流端口、变流器直流端口等位置，其中，交流端口可以三相套穿也可以单相套穿，反谐振线圈的工作频段为30kHz～30MHz，在工作频段内的插入阻抗呈现单峰带阻的特性，插入阻抗具体为反谐振线圈向系统侧引入的阻抗，插入阻抗的峰值阻抗、阻尼和谐振频率由调谐单元确定，反谐振线圈的插入阻抗特性由后一级的调谐单元调控，以实现在目标抑制模态的开关振荡传导路径上插入阻抗峰，实现阻抗匹配。

调谐单元：调谐单元与反谐振线圈相连接，其功能是调节反谐振线圈插入阻抗的峰值阻抗、阻尼和谐振频率，实现开关振荡主导模态的反谐振阻抗匹配，调谐单元由谐振调节电路组成，根据实际系统需要可以设计有源电路或者无源电路，可以采用一阶电路也可采用多阶电路，调谐电路根据待抑制开关振荡模态谐振特征Z₀(n)对插入阻抗进行反谐振匹配，包括但不限于谐振峰值阻抗A₀、谐振阻尼ζ₀、谐振频率f₀等特征，插入阻抗的谐振频率与谐振阻尼与待抑制的开关振荡模态主导频率f₀与模态阻尼特征ζ₀接近，插入阻抗的谐振峰值根据待抑制开关振荡模态谐振阻抗确定，通过调谐单元实现反谐振线圈在待抑制开关振荡模态主导频段内的等效插入阻抗最优匹配，本例中，插入阻抗的谐振频率设置在待抑制的开关振荡模态主导频率f₀的0.95到1倍之间，插入阻抗的阻尼特征设置为与待抑制的开关振荡模态的阻尼特征ζ₀相等，插入阻抗的谐振峰值根据已确定的调谐电路参数调节为最大值。

状态感知单元：状态感知单元与调谐单元相连，用以将从反谐振线圈抑制后的开关振荡信号中提取谐振特征Z₁(n)作为变频电机系统的初始参照状态，谐振特征包括但不限于谐振阻尼ζ₁、谐振频率f₁、谐振响应幅值A₁，当变频电机系统的健康状态发生改变时，从抑制后的开关振荡信号中提取谐振特征Z₂(n)，谐振特征包括但不限于谐振阻尼ζ₂、谐振频率f₂、谐振响应幅值A₂，根据开关振荡失谐特征感知变频电机系统的健康状态，开关振荡失谐特征可由Z₁(n)/Z₂(n)计算，包括但不限于谐振阻尼特征偏移、谐振频率特征偏移、谐振响应幅值特征偏移，根据开关振荡失谐特征的变化判断变频电机系统的状态劣化程度。

基于上述变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置，本发明还提供一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知方法，如图2所示，包括以下步骤：

1)根据变频电机系统中开关振荡主导模态及其传导路径，确定目标抑制的开关振荡模态，并根据其传导路径选择反谐振线圈的配置位置。

2)在变频电机系统正常运行时检测目标抑制模态开关振荡电流信号i_sw，从开关振荡电流信号i_sw中截取开关振荡电流信号片段i_sw-res，从开关振荡电流信号片段i_sw-res中提取谐振频率f₀与谐振阻尼ζ₀。

3)针对目标抑制模态的开关振荡电流谐振频率f₀与谐振阻尼ζ₀，设计反谐振线圈结构及其调谐电路，调谐电路具体结构参数根据实际系统开关振荡谐振回路的阻抗特性而定。

4)测量被抑制后的开关振荡信号i’_sw-res，从开关振荡信号i’_sw-res中提取抑制后的系统谐振回路的谐振特征，包括但不限于谐振频率f₁、谐振阻尼ζ₁等，以此作为系统初始状态参照标准。

5)当系统状态改变，目标抑制模态的开关振荡信号发生失谐，根据开关振荡电流信号i”_sw-res的失谐特征来感知系统状态，包括但不限于谐振频率f₂、谐振阻尼ζ₂等系统本征参数。

综上，本发明通过反谐振匹配实现变频电机系统高频开关振荡电流的高效抑制，与此同时利用开关振荡失谐特征对变频电机系统状态变化进行高灵敏感知。

实施例

在本实施例中，搭建如图(1a)所示的变频电机系统，其中，被测电机为380V/3kW的感应电机，对拖负载电机为8极380V/3kW永磁同步电机，被测电机采用380V/7.5kW碳化硅三相变流器变频驱动，采用高速信号采集单元(Pico 5444D，14位，125MS/s)和上位机进行信号采集和处理，电机端部使用带宽为50MHz的高频电流探头CYBERTEK CP8030B用于测量系统开关振荡电流。

首先，在电机端部的三相电缆处布置高频电流探头以采集包含高频开关振荡电流信号i_sw，如图3所示，对采集到的电机高频开关振荡电流i_sw进行筛选，截取出振荡完整的高频开关振荡电流i_sw-res，如图4所示，并提取高频开关振荡电流片段i_sw-res所在谐振回路的谐振频率f₀及其谐振阻尼比ζ₀。

其次，确定反谐振线圈及其调谐电路，根据高频开关振荡谐振频率f₀及其谐振阻尼比ζ₀，本实施例设计的反谐振线圈自感L为5.48μH，调谐电路谐振电容C为513pF，阻尼电阻R为25Ω，将设计好的反谐振线圈套装在电机端部三相电缆上。

抑制后的开关振荡电流i’_sw-res如图5所示，提取开关振荡电流信号i’_sw-res的谐振频率f₁、阻尼比ζ₁、衰减时间常数τ₁，以此作为系统初始状态参照标准。

在电机绕组端部与地之间并联电容ΔC_g1(0～1000pF)来模拟电机主绝缘劣化，当系统开关振荡主导模态的阻抗特性发生偏移时反谐振线圈逐渐失谐，导致所抑制的开关振荡电流谐振特征发生变化，分别测量不同劣化程度下的开关振荡电流信号i”_sw-res如图6所示，并提取其谐振频率f₂、阻尼比ζ₂、衰减时间常数τ₂，得到变频电机系统中电机主绝缘状态变化的归一化趋势，如图7所示，图7表明利用开关振荡失谐特征可以高灵敏地感知电机绕组绝缘电容发生的微弱变化(ΔC_g1＝50pF)。

Claims (6)

1.一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置，其特征在于，该装置包括：

反谐振线圈：为非接触空心结构线圈，用以在目标抑制模态的开关振荡传导路径上引入呈单峰带阻特性的插入阻抗，实现开关振荡主导模态的反谐振阻抗匹配；

调谐单元：与反谐振线圈连接，用以调节反谐振线圈插入阻抗的峰值阻抗、谐振阻尼和谐振频率；

状态感知单元：与调谐单元连接，用以根据开关振荡失谐特征的变化判断变频电机系统的状态劣化程度；

所述的状态感知单元具体由谐振调节电路组成，根据待抑制开关振荡模态谐振特征Z₀(n)对插入阻抗进行反谐振匹配，所述的待抑制开关振荡模态谐振特征Z₀(n)包括谐振峰值阻抗A₀、谐振阻尼ζ₀和谐振频率f₀；

所述的插入阻抗的谐振频率和谐振阻尼分别与待抑制开关振荡模态的谐振频率f₀和阻尼特征ζ₀接近，且插入阻抗的谐振峰值根据待抑制开关振荡模态谐振阻抗确定；

所述的状态感知单元将从反谐振线圈抑制后的开关振荡信号中提取谐振特征Z₁(n)作为变频电机系统的初始参照状态，包括谐振阻尼ζ₁、谐振频率f₁、谐振响应幅值A₁，当变频电机系统的健康状态发生改变时，再从抑制后的开关振荡信号中提取谐振特征Z₂(n)，包括谐振阻尼ζ₂、谐振频率f₂和谐振响应幅值A₂，通过开关振荡失谐特征p＝Z₁(n)/Z₂(n)判断变频电机系统的状态劣化程度；

所述的开关振荡失谐特征具体包括谐振阻尼特征偏移、谐振频率特征偏移和谐振响应幅值特征偏移。

2.根据权利要求1所述的一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置，其特征在于，所述的反谐振线圈采用开口式或闭口式骨架。

3.根据权利要求1所述的一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置，其特征在于，所述的反谐振线圈安装在变频电机系统中，包括电机端部、电机地线、变流器地线、变流器交流端口以及变流器直流端口位置处，当设置在变流器交流端口时，采用三相套穿或单相套穿的方式安装。

4.根据权利要求1所述的一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置，其特征在于，所述的反谐振线圈的工作频段为30kHz～30MHz。

5.根据权利要求1所述的一种变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置，其特征在于，所述的插入阻抗的谐振频率设置在待抑制的开关振荡模态主导频率f₀的0.95到1倍之间，插入阻抗的阻尼特征设置为与待抑制的开关振荡模态的阻尼特征ζ₀相等，插入阻抗的谐振峰值根据已确定的调谐电路参数调节为最大值。

6.一种应用如权利要求1-5任一项所述变频电机系统开关振荡抑制与状态感知装置的开关振荡抑制与状态感知方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)根据变频电机系统中开关振荡主导模态及其传导路径，确定目标抑制的开关振荡模态，并根据其传导路径选择反谐振线圈的配置位置；

2)在变频电机系统正常运行时检测目标抑制模态下的开关振荡电流信号i_sw，从开关振荡电流信号i_sw中截取开关振荡电流信号片段i_sw-res，从开关振荡电流信号片段i_sw-res中提取谐振频率f₀与谐振阻尼ζ₀；

3)针对目标抑制模态下开关振荡电流的谐振频率f₀与谐振阻尼ζ₀，设计反谐振线圈结构及其调谐电路；

4)测量被抑制后的开关振荡信号i^’ _sw-res，从开关振荡信号i^’ _sw-res中提取抑制后的系统谐振回路的谐振特征，以此作为系统的初始参照状态；

5)当变频电机系统的健康状态发生改变后，目标抑制模态的开关振荡信号发生失谐，根据失谐后的开关振荡电流信号i”_sw-res的失谐特征感知系统状态，并据此判断变频电机系统的状态劣化程度。