CN113691194B - 电机驱动***的机端过电压预测方法、预测***、终端 - Google Patents
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Abstract
本发明属于过电压预测技术领域，公开了一种电机驱动***的机端过电压预测方法、预测***、终端，测量得到某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性，计算得到电缆二端口网络的传递函数；根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形；对逆变器端电压波形进行傅里叶变换得到输入电压频谱；与传递函数相乘得到输出电压频谱，再对输出电压频谱进行傅里叶反变换得到预测的机端过电压波形。本发明建立了电机驱动***的二端口网络模型，基于传输线波动方程和所建立的精确电缆单位分布阻抗电路模型推导了***二端口矩阵的解析表达式，预测结果更加精确，参数获取容易，且只用数学计算工具来实现，更加适用于实际工程应用。
Description
技术领域
本发明属于过电压预测技术领域，尤其涉及一种电机驱动***的机端过电压预测方法、预测***、终端。
背景技术
目前，在长电缆电机驱动***中，逆变器输出的具有高电压变化率(dv/dt)的PWM电压波经过电缆后会在电机端部发生波的反射。这种现象将使机端输入电压超过直流母线电压，在全反射时甚至能够接近两倍的直流母线电压，从而导致电机的绝缘故障。过去通常认为，当电缆较短时，由于其长度远小于电压波的波长，反射波现象不再显著，对电机的影响很小。然而，得益于SiC材料优越的材料特性，SiC器件(即功率半导体开关)开始逐渐在高频、高功率密度的电机驱动***中取代传统的Si器件。由于SiC器件具有更高的开关速度，基于SiC器件的逆变器输出的PWM电压波会有更高的电压变化率(dv/dt)，这导致机端过电压更加严重。即使电缆只有几米，机端也会出现明显的过电压。为了避免电机的绝缘故障，需要对电机端部的过电压进行预测和预防。
已有的机端过电压预测方法可以大致分为三类：第一类是利用波反射系数推导出一种机端过电压峰值的预测公式。这种方法最简单最常用，但是多用于定性分析。由于忽略了电缆的阻尼和电缆阻抗的频率变化特性等因素，结果误差较大；第二类是利用有限元仿真软件搭建电缆的真实物理模型，然后将模型联合电路进行仿真得到机端过电压波形。这种方法针对特定的电缆能够建立较为精确的模型，得到较准确的预测结果，但是需要知道电缆的各种材料和形状参数，这在实际应用中很困难；第三类是根据阻抗特性建立电缆和电机的阻抗网络模型，然后在电路仿真软件中通过阻抗网络模型的级联仿真得到机端过电压波形。这种方法在一定程度上兼顾了准确性和实用性，但是依然需要利用仿真软件建立复杂的电路仿真模型，同时级联网络的数量问题会导致误差。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术没有很好地在准确性和实用性上进行平衡。第一类技术虽然能够利用数学计算工具快速实现，但假设条件过于简单理想，导致预测结果误差很大；第二、三类技术则很复杂，需要获取很多电缆模型参数且获取过程困难，并且都需要利用仿真软件工具来实现，在工程应用中实用性差。
解决以上问题及缺陷的难度为：不同于电阻、电感等集总参数元件，电缆需要采用分布参数电路进行分析，且存在各种寄生、耦合参数的影响，建模和分析难度大。过去的波反射理论提供了一种较理想的数学解析分析手段，但无法达到工程应用的精度要求。而高精度的电缆分布参数电路模型则很难用于数学解析分析。解决这些问题需要结合***实际的工作特性，综合考虑技术的准确性和实用性。
解决以上问题及缺陷的意义为：机端过电压现象在带电缆的电机驱动***中是普遍存在的，过去由于缺少准确且实用的过电压预测技术，在***设计阶段往往凭经验预留过大的绝缘裕量，导致***成本的增加和容量的浪费。采用本技术能够快速地对过电压进行准确预测，帮助确定***的绝缘裕量，有效降低***的成本。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电机驱动***的机端过电压预测方法、预测***、终端。
本发明是这样实现的，一种电机驱动***的机端过电压预测方法，包括：
将电机驱动***等效成一个二端口网络模型，建立所述二端口矩阵的解析表达式，利用所述二端口矩阵的解析表达式进行机端过电压预测。
进一步，所述二端口网络模型如下：
其中，Vin、Vout表示各频率下对应的输入、输出电压频率分量；Iin、Iout表示各频率下对应的输入、输出电流频率分量。
进一步，所述建立所述二端口矩阵的解析表达式包括：
利用波动方程确定基础计算公式，再基于精确的分布微分电路建模对基础计算公式进行改进修正；利用电路的电压电流微分方程推导得到解析表示式。
进一步，所述电机驱动***的机端过电压预测方法包括以下步骤：
步骤一，测量得到某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性，计算得到电缆二端口网络的传递函数；
步骤二，根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形；对逆变器端电压波形进行傅里叶变换得到输入电压频谱；
步骤三，与传递函数相乘得到输出电压频谱，再对输出电压频谱进行傅里叶反变换得到预测的机端过电压波形。
进一步，所述电缆二端口网络的传递函数计算公式如下：
其中，Zmotor表示负载电机的阻抗特性，Vin、Vout表示各频率下对应的输入、输出电压频率分量。
进一步，所述根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形包括：可测量逆变器端实际的电压波形或利用一个恒定dv/dt的梯形电压波近似替代。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述电机驱动***的机端过电压预测方法的电机驱动***的机端过电压预测***，所述电机驱动***的机端过电压预测***包括：
分析模块，用于测量得到某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性；
传感函数确定模块，用于基于得到的某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性计算得到电缆二端口网络的传递函数；
波形确定模块，用于根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形；
输入电压频谱确定模块，用于对逆变器端电压波形进行傅里叶变换得到输入电压频谱；
输出电压频谱确定模块，用于将输入电压频谱与传递函数相乘得到输出电压频谱；
预测模块，用于对输出电压频谱进行傅里叶反变换得到预测的机端过电压波形。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现所述电机驱动***的机端过电压预测方法。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述电机驱动***的机端过电压预测方法，包括下列步骤：
步骤一，测量得到某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性，计算得到电缆二端口网络的传递函数；
步骤二，根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形；对逆变器端电压波形进行傅里叶变换得到输入电压频谱；
步骤三，与传递函数相乘得到输出电压频谱，再对输出电压频谱进行傅里叶反变换得到预测的机端过电压波形。
本发明的另一目的在于提供一种所述电机驱动***的机端过电压预测方法在带电缆电机驱动***中逆变器机端过电压预测上的应用。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明帮助确定***的绝缘裕量，有效降低***的成本，更加适用于实际工程应用。
相对于利用波反射系数推导出一种机端过电压峰值的预测公式进行预测的方法，本发明建立了更精确的电缆单位分布阻抗电路模型，并将单位阻抗随频率变化的函数拟合关系带入计算，从而考虑了电缆的阻尼和电缆阻抗的频率特性，结果精确很多。
相对于利用有限元仿真软件搭建电缆的真实物理模型，然后将模型联合电路进行仿真得到机端过电压波形，本发明不需要进行有限元仿真，只需要知道电缆和电机的阻抗参数即可，参数获取容易很多。
相对于根据阻抗特性建立电缆和电机的阻抗网络模型，然后在电路仿真软件中通过阻抗网络模型的级联仿真得到机端过电压波形，本发明并不是单纯的电路建模，而是将电路建模与波动理论计算相结合。本发明首先利用波动方程推导出基础计算公式，再基于精确的分布(微分)电路建模对基础计算公式进行改进修正。由于完全是基于微分电路模型进行计算，不存在阻抗网络级联数量较少导致的误差问题。利用电路的电压电流微分方程推导出解析表示式进行计算，不需要在电路仿真软件中进行模型搭建和仿真。并且，阻抗频率特性用函数来拟合比用阻抗模型来拟合容易很多，电路模型更简单。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电机驱动***的机端过电压预测方法原理图。
图2是本发明实施例提供的电机驱动***的机端过电压预测方法流程图。
图3是本发明实施例提供的电机驱动***的机端过电压预测***结构示意图；
图中：1、分析模块；2、传感函数确定模块；3、波形确定模块；4、输入电压频谱确定模块；5、输出电压频谱确定模块；6、预测模块。
图4是本发明实施例提供的简化电机驱动***示意图。
图5是本发明实施例提供的电机驱动***的等效二端口模型示意图。
图6是本发明实施例提供的标准传输线的分布参数电路示意图。
图7是本发明实施例提供的三芯电缆单位分布参数电路模型示意图。
图8是本发明实施例提供的三芯电缆分布参数电路简化模型示意图。
图9(a)是本发明实施例提供的电缆开路法测量得到Gc、Cc示意图。
图9(b)是本发明实施例提供的缆短路法测量得到Rc、Lc示意图。
图9(c)是本发明实施例提供的电机测量示意图。
图10是本发明实施例提供的电机驱动***机端过压预测实验实物图。
图11是本发明实施例提供对比实验测量输出电压波形、本方法预测输出电压波形结果图。
图12是本发明仿真例提供对比仿真输出电压波形、本方法预测输出电压波形以及前述第一类传统预测方法预测输出电压波形结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电机驱动***的机端过电压预测方法、预测***，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的电机驱动***的机端过电压预测方法包括：
将电机驱动***效成一个二端口网络模型，建立所述二端口矩阵的解析表达式，利用所述二端口矩阵的解析表达式进行机端过电压预测。
本发明实施例提供的二端口网络模型如下：
其中，Vin、Vout表示各频率下对应的输入、输出电压频率分量；Iin、Iout表示各频率下对应的输入、输出电流频率分量。
本发明实施例提供的建立所述二端口矩阵的解析表达式包括：
利用波动方程确定基础计算公式，再基于精确的分布微分电路建模对基础计算公式进行改进修正；利用电路的电压电流微分方程推导得到解析表示式。
如图2所示，本发明实施例提供的电机驱动***的机端过电压预测方法包括以下步骤：
S101，测量得到某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性，计算得到电缆二端口网络的传递函数；
S102，根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形；对逆变器端电压波形进行傅里叶变换得到输入电压频谱；
S103，与传递函数相乘得到输出电压频谱，再对输出电压频谱进行傅里叶反变换得到预测的机端过电压波形。
本发明实施例提供的电缆二端口网络的传递函数计算公式如下：
其中，Zmotor表示负载电机的阻抗特性，Vin、Vout表示各频率下对应的输入、输出电压频率分量。
本发明实施例提供的根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形包括：可测量逆变器端实际的电压波形或利用一个恒定dv/dt的梯形电压波近似替代。
如图3所示，本发明实施例提供的电机驱动***的机端过电压预测***包括：
分析模块1，用于测量得到某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性；
传感函数确定模块2，用于基于得到的某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性计算得到电缆二端口网络的传递函数；
波形确定模块3，用于根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形；
输入电压频谱确定模块4，用于对逆变器端电压波形进行傅里叶变换得到输入电压频谱；
输出电压频谱确定模块5，用于将输入电压频谱与传递函数相乘得到输出电压频谱；
预测模块6，用于对输出电压频谱进行傅里叶反变换得到预测的机端过电压波形。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1：
对于三相电机驱动***来说，每一相的机端过电压现象是完全对称的。因此，考虑***中逆变器实际的开关状态，能表征机端过压现象的简化电机驱动***如图4所示，这里BC相的稳态电位不会影响A相的瞬态过程。对于这个***，本发明关注的是逆变器端向电缆输入的PWM电压波以及电缆向电机端部输出的过电压振荡波，输电电缆作为两者的传导媒介。因此，本发明将该***等效成一个二端口网络模型，如图5所示。这个由电缆决定的二端口网络存在对应的二端口矩阵，本发明的一个核心就是建立并推导这个二端口矩阵的解析表达式。
对于标准的两线传输线，其分布参数电路如图6所示。如果已知传输线的单位分布电阻R0、单位分布电感L0、单位分布电容C0和单位分布电导G0，根据波动方程(1)能够推导出标准的传输线二端口矩阵(2)，其中γ是传输线的传播系数，Z0是传输线的特性阻抗。
电缆也属于传输线，但是电机驱动用电缆一般为三芯对称结构，每根芯线都存在阻抗，且芯线间存在互感，比图6中的结构更复杂。本发明建立的三芯电缆模型如图7所示，为了利用标准的解析表达式(2)，需要根据实际的工作情况对该模型进行化简。根据三相的对称性，有电压电流关系：IA＝-2IB＝-2IC、VB＝VC，因此化简后的电缆模型如图8所示。定义新的阻抗参数 Gc＝2G0、Cc＝2C0(这里如果电缆芯数不为3，只需要对应改变系数)，则新的解析表达式只需要将原阻抗参数替换成新的阻抗参数即可。另外，由于电缆的阻抗参数会随频率变化，需要根据变化规律进行频率修正。实际测量发现，电缆的单位分布电感和单位分布电容基本不随频率变化，而单位分布电阻由于趋肤效应近似于频率的平方根成正比，单位分布电导由于介电损耗近似于频率成正比。将这些关系代入表达式中，最后由任意频率ω0下的阻抗参数可以得到三芯电缆的二端口网络矩阵为：
上式中，Zmotor为负载电机的阻抗特性，Vin、Vout为各频率下对应的输入、输出电压频率分量。由该式可知，电机端输出电压频谱等于逆变器端输入电压频谱与传递函数的乘积。进行电压预测的步骤是：首先，测量得到某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性，进而利用推导的公式计算出电缆二端口网络的传递函数。然后，根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形，这里可以测量逆变器端实际的电压波形，也可以用一个恒定dv/dt的梯形电压波来近似替代，只是准确性会有差别。最后，对逆变器端电压波形进行傅里叶变换得到输入电压频谱，与传递函数相乘得到输出电压频谱，再对输出电压频谱进行傅里叶反变换即能得到预测的机端过电压波形。模型和方法的完整示意图见图1。
上述步骤中电缆和电机阻抗测量的示意图见图9，其中多芯电缆的测量采用图示的开路/短路法能够直接测量得到新定义的阻抗参数Rc、Lc、Gc、Cc，从而减小多次测量和换算带来的误差。
实施例2：
以由Wolfspeed CAB425M12XM3 SiC MOSFET功率模块、5m的AlphaWire V16016三芯电缆和3kW异步电动机搭建的电机驱动***(如图10所示)为例，下面对过电压预测方法进行详细说明。
第一步是对电缆阻抗参数和电机阻抗特性进行测量。为了避免电缆的高频谐振作用对阻抗参数测量的影响，采用较短(1m)的电缆作为测量电缆，并设置较低(5MHz)的频率测量点。利用图9(a)、(b)所示方法测量并换算得到电缆在5MHz处的单位阻抗参数。采用图9(c)所示方法测量得到电机在整个频率测量范围内的阻抗特性曲线。图10是本发明实施例提供的电机测量实物图。
第二步是确定逆变器端的输入电压波形。本案例利用示波器对逆变器端的PWM电压波形直接进行测量，实际中也可以根据逆变器的开关特性用近似的开关波形来代替。
第三步是在数学计算软件(如MATLAB)中对上两步的数据进行处理。首先对逆变器端的PWM电压波形数据进行FFT，得到输入电压在零到二分之一示波器采样频率范围内的电压频谱。由于这个频率范围通常大于阻抗分析仪的测量范围，而这种超低频和超高频部分的阻抗对计算结果基本没有影响，所以对电机阻抗特性在测量频率之外的部分需要进行近似处理。所用阻抗分析仪的频率测量范围为40Hz～110MHz，电机在0Hz～40Hz内的阻抗均视为等于40Hz处的阻抗，电机在110MHz之后的阻抗均视为等于110MHz处的阻抗。将5MHz的电缆单位阻抗参数和处理后的电机阻抗数据代入式(4)、(5)、(6)中得到与输入电压频谱频率范围对应的电压传递函数。然后将输入电压频谱和电压传递函数相乘，得到预测的输出电压频谱。最后对输出电压频谱进行IFFT得到预测的输出电压波形。
该案例得到的过电压预测效果如图11所示，直流母线电压为100V，预测得到的电压波形与实际的测量波形基本吻合。实验输出过电压峰值为171.0V，预测输出过电压峰值为175.0V，过电压峰值的误差为2.3％(4.0V)，精确度较高。
仿真例：
在SABER电路仿真软件上，基于SiC MOSFET的行为模型、电缆的分布电路模型和电机的阻抗模型，搭建了图4所示结构的电机驱动***仿真模型。由于仿真模型的各参数已知，故省去了测量的步骤。将仿真数据导入MATLAB中，进行前述的FFT和IFFT步骤。对比仿真输出电压波形、本方法预测输出电压波形以及前述第一类传统预测方法预测输出电压波形，结果如图图12所示。直流母线电压为500V，仿真输出过电压峰值为842.9V。传统方法预测输出过电压峰值为955.9V，预测误差为13.4％(113V)，电压波形与仿真波形有很大偏差；本方法预测输出过电压峰值为860.2V，预测误差为2.1％(17.3V)，电压波形与仿真波形基本重合，可见本预测方法相对于传统方法精确度有显著提高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种电机驱动***的机端过电压预测方法，其特征在于，所述电机驱动***的机端过电压预测方法包括：
将电机驱动***等效成一个二端口网络模型，建立所述二端口矩阵的解析表达式，利用所述二端口矩阵的解析表达式进行机端过电压预测；
所述二端口网络模型如下：
其中，Vin、Vout表示各频率下对应的输入、输出电压频率分量；Iin、Iout表示各频率下对应的输入、输出电流频率分量；
所述建立所述二端口矩阵的解析表达式包括：
利用波动方程确定基础计算公式，再基于精确的分布微分电路建模对基础计算公式进行改进修正；利用电路的电压电流微分方程推导得到解析表示式；
所述电机驱动***的机端过电压预测方法包括以下步骤：
步骤一，测量得到某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性，计算得到电缆二端口网络的传递函数；
步骤二，根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形；对逆变器端输入电压波形进行傅里叶变换得到输入电压频谱；
步骤三，与传递函数相乘得到输出电压频谱，再对输出电压频谱进行傅里叶反变换得到预测的机端过电压波形；
所述电缆二端口网络的传递函数计算公式如下：
其中，Zmotor表示负载电机的阻抗特性，Vin、Vout表示各频率下对应的输入、输出电压频率分量；
所述根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形包括：测量逆变器端实际的输入电压波形或利用一个恒定dv/dt的梯形电压波近似替代。
2.一种实施如权利要求1所述电机驱动***的机端过电压预测方法的电机驱动***的机端过电压预测***，其特征在于，所述电机驱动***的机端过电压预测***包括：
分析模块，用于测量得到某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性；
传感函数确定模块，用于基于得到的某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性计算得到电缆二端口网络的传递函数；
波形确定模块，用于根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形；
输入电压频谱确定模块，用于对逆变器端输入电压波形进行傅里叶变换得到输入电压频谱；
输出电压频谱确定模块，用于将输入电压频谱与传递函数相乘得到输出电压频谱；
预测模块，用于对输出电压频谱进行傅里叶反变换得到预测的机端过电压波形。
3.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求1所述电机驱动***的机端过电压预测方法。
4.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行如权利要求1所述电机驱动***的机端过电压预测方法，包括下列步骤：
步骤一，测量得到某一频率下电缆的阻抗参数和全频率范围内电机的阻抗特性，计算得到电缆二端口网络的传递函数；
步骤二，根据逆变器的开关特性确定逆变器端输入电压波的波形；对逆变器端输入电压波形进行傅里叶变换得到输入电压频谱；
步骤三，与传递函数相乘得到输出电压频谱，再对输出电压频谱进行傅里叶反变换得到预测的机端过电压波形。
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