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CN106909713A - 一种适用于分析共模干扰的三相交流电机高频模型 - Google Patents

一种适用于分析共模干扰的三相交流电机高频模型 Download PDF

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Abstract

本发明属于电力电子技术领域，提供一种适用于分析共模干扰的三相交流电机高频模型，由U、V、W三相绕组电路并联构成；任一相绕组电路均包括：涡流损耗电阻、线圈寄生电感、匝间效应等效电阻、匝间效应等效电感、匝间效应等效电容、以及绕组前端与定子之间的杂散电容、绕组末端与定子之间的杂散电容，涡流损耗电阻与线圈寄生电感并联形成一个并联网络、一端与电机绕组端点相连、另一端与电机中性点相连，匝间效应等效电阻、匝间效应等效电感与匝间效应等效电容依次串联形成一个串联网络、一端与电机绕组端点相连、另一端接地；本发明提供三相交流电机高频模型具有较高精度，且存在物理意义，对工程和电机研究有较大的贡献。

Description

一种适用于分析共模干扰的三相交流电机高频模型
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种适用于分析共模干扰的三相交流电机高频模型。
背景技术
随着科学技术的深入发展，对电机建模的要求也越来越高，尤其随着智能制造和数控行业对三相交流电机的需求与日俱增，对三相交流电机高频建模的精度、频率范围提出了更高的要求。为满足一定频段内，工程对电机精准建模的需求，国内外许多涉及智能制造领域的公司、知名院校和科研单位纷纷对电机建模展开研究，并取得了丰硕的研究成果，得到了一系列的电机高频模型，但这些模型都有或多或少的缺陷，有待进一步地优化。
目前，对电机高频建模的方法主要有两种：一种是考虑了电机的物理结构，基于物理结构提出了一种电机高频模型，然后利用精密仪器对电机的相关参数进行测量，对测量数据进行处理得到了电机模型相关参数，用Pspice、Candence等电路仿真软件对电机高频模型进行仿真，得到的电机共模阻抗幅值与相角和实际测量得到的阻抗幅值和相角差别比较大，已经不能很好地满足工程的误差要求；另一种是不考虑电机的物理结构，直接利用精密仪器对电极的共模阻抗进行测量，然后用Matlab中的相关函数对阻抗曲线进行高阶拟合，得到一个拟合的阻抗传递函数，然后对传递函数进行纯数学的分解，得到由几个小电路网络串联而成的电机高频模型，同样用Pspice、Candence等电路仿真软件对电机模型进行仿真，得到的电机共模阻抗幅值与相角和实际测量得到的阻抗幅值和相角完全相同，但是这种方法对工程以及电机高频等效电路分析没有任何帮助，因为这种方法得到的模型没有考虑电机的物理结构，而且会出现电阻的阻值、电感的感抗、电容的容抗为负值，与实际电阻的阻值、电感的感抗、电容的容抗为正值是矛盾，对电机高频模型的分析以及工程实践没有任何指导意义。因此，在一定频段内，具有较高精度、有物理意义的基于电机物理结构的三相交流电机高频模型成为我们研究重点。
发明内容
本发明目的在于提供一种适用于分析共模干扰的三相交流电机高频模型，用以克服现有的电机高频模型精度较差、不能满足工程需要或者精度高、但对工程以及电机研究没有指导意义的问题。本发明提供三相交流电机高频模型具有较高精度，且存在物理意义，对工程和电机研究有较大的贡献。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于分析共模干扰的三相交流电机高频模型，由U、V、W三相绕组电路并联构成；其特征在于，任一相绕组电路均包括：涡流损耗电阻、线圈寄生电感、匝间效应等效电阻、匝间效应等效电感、匝间效应等效电容、以及绕组前端与定子之间的杂散电容、绕组末端与定子之间的杂散电容，其中，所述涡流损耗电阻与线圈寄生电感并联形成一个并联网络、一端与电机绕组端点相连、另一端与电机中性点相连，所述匝间效应等效电阻、匝间效应等效电感与匝间效应等效电容依次串联形成一个串联网络、一端与电机绕组端点相连、另一端接地，所述绕组前端与定子之间的杂散电容接于电机绕组端点与地之间，所述绕组末端与定子之间的杂散电容接于电机中性点与地之间。
进一步的，上述三相交流电机高频模型的模型参数计算过程为：
步骤1：采用拉普拉斯变换，写出电机高频模型的s域的阻抗表达式，并对阻抗表达式进行化简，得到阻抗表达式的分子和分母的阶数；
步骤2：根据实际测试阻抗曲线，在Matlab中进行曲线拟合得到拟合函数表达式，设置拟合函数表达式的分子和分母阶数与阻抗表达式的分子与分母的阶数相同；
步骤3：利用参数匹配法，根据阻抗表达式的分子、分母对应阶系数和拟合函数表达式的分子、分母对应阶系数，得到数学方程组；求解方程组即得到电机高频模型的模型参数。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的适用于分析共模干扰的三相交流电机高频模型，充分考虑电机的物理结构以及在电机运行过程中，电机绕组之间匝间效应、转子铁芯的涡流损耗、转子与机壳之间的寄生电容、定子绕组自身的电感、电容等因素，使模型具有物理意义，在与电机相关的理论分析中，能够代表实际的电机；在确定三相交流电机高频模型参数时候，采用数学方法，减小模型参数确定的难度，有效提高电机高频模型的精确度，对交流电机建模地研究有重大地贡献，对与电机相关工程的理论分析和仿真有指导意义。本发明提供的高频电机模型已经在电机驱动系统中得到了验证，利用此方法建模得到的三相交流电机高频模型的共模阻抗的幅度、相角与实际测量的电机的共模阻抗的幅度、相角之间最大地相对误差分别为2％、5％，远远优于现有电机高频模型，采用本发明提供的高频电机模型对电机的共模干扰分析效果较好，有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明一种适用于分析共模干扰的三相交流电机高频模型图。
图2为本发明实施例中电机高频模型简化电路图。
图3为通过Matlab拟合传递函数得到的阻抗的幅值、相角曲线与实际测量阻抗的幅值、相角曲线对比图；其中，虚线表示通过传递函数得到的阻抗的幅值、相角曲线，实线表示测量得到的阻抗的幅值、相角曲线。
图4为Pspice仿真得到的共模阻抗的相角曲线图。
图5为Pspice仿真得到的共模阻抗的幅值曲线图。
图6为Pspice仿真的共模阻抗幅值、相角曲线与实际测量的共模阻抗幅值、相角曲线对比图；其中，虚线表示Pspice仿真的共模阻抗幅值、相角曲线，实线表示实际测量的共模阻抗幅值、相角曲线。
具体实施方式
以下结合具体实施例与附图，对本发明做进一步的详细说明。
本实施例提供一种适用于分析共模干扰的三相交流电机高频模型，如图1所示，由U、V、W三相绕组电路并联而成；其中，
U相绕组电路：C1、C2是U相绕组的绕组前端与定子之间的杂散电容、绕组末端与定子之间的杂散电容，R1、L1、R2、L2、C3分别是U相绕组的涡流损耗电阻、线圈寄生电感、匝间效应等效电阻、匝间效应等效电感、匝间效应等效电容；R1与L1并联，形成一个并联网络，并联网络的一端与电机U相绕组端点U相连，另一端与电机中性点N相连；R2、L2、C3依次串联形成一个串联网络，串联网络的一端与电机U相绕组端点U相连，串联网络的另一端与地(GND)相连；C1接于电机U相绕组端点U与地(GND)之间，C2接于电机中性点N与地(GND)之间；
V相绕组电路：C4、C5是V相绕组的绕组前端与定子之间的杂散电容、绕组末端与定子之间的杂散电容，R3、L3、R4、L4、C6分别是V相绕组的涡流损耗电阻、线圈寄生电感、匝间效应等效电阻、匝间效应等效电感、匝间效应等效电容；R3与L3并联，形成一个并联网络，并联网络的一端与电机V相绕组端点V相连相连，另一端与电机中性点N相连；R3、L3、C6依次串联形成一个串联网络，串联网络的一端与电机V相绕组端点V相连，串联网络的另一端与地(GND)相连；C4接于电机V相绕组端点V与地(GND)之间，C5接于电机中性点N与地(GND)之间；
W相绕组电路：C7、C8是W相绕组的绕组前端与定子之间的杂散电容、绕组末端与定子之间的杂散电容，R5、L5、R6、L6、C9分别是W相绕组的涡流损耗电阻、线圈寄生电感、匝间效应等效电阻、匝间效应等效电感、匝间效应等效电容；R5与L5并联，形成一个并联网络，并联网络的一端与电机W相绕组端点W相连，另一端与电机中性点N相连；R6、L6、C9依次串联形成一个串联网络，串联网络的一端与电机W相绕组端点W相连，串联网络的另一端与地(GND)相连；C7接于电机W相绕组端点W与地(GND)之间，C8接于电机中性点N与地(GND)之间。
本实施例中实际测量阻抗曲线是由实验室电机上实测得到的；由于实验室电机三相绕组是完全对称的，任意两相之间相差120°，每一相的对应电阻的阻值、电容的容值、电感的感值完全相同，因此，对高频电机模型进行电路简化，简化后的模型如图2所示，相关参数如下：
R1＝R3＝R5 (1)
R2＝R4＝R6 (2)
C1＝C4＝C7 (3)
C2＝C5＝C8 (4)
C3＝C6＝C9 (5)
L1＝L3＝L5 (6)
L2＝L4＝L6 (7)
C11＝3*(C1+C4+C7) (12)
C22＝3*(C2+C5+C8) (13)
C33＝3*(C3+C6+C9) (14)
利用拉普拉斯变换，写出本实施例中电机高频模型的s域的共模阻抗表达式(共模阻抗指的是电机高频模型简化电路图中的P点和地(GND)之间的阻抗)如下所示：
在Matlab中对实际测量阻抗曲线进行参数拟合，拟合传递函数形式如下所示：
通过Matlab拟合传递函数得到的共模阻抗的幅值、相角曲线与实际测量共模阻抗的幅值、相角曲线对比图如图3所示，可以看出两条曲线完全重合，说明了拟合精度较高。
把阻抗表达式Zcm和拟合传递函数f(s)的分子分母部分阶的系数进行参数比对可得：
对式(1-25)联立求解，依次解出三相电机高频模型的参数。
利用Pspice电路仿真软件对上述电机高频模型进行仿真，把仿真得到的共模阻抗曲线与实际测量的共模阻抗曲线进行对比，并对三相电机高频模型的参数进行微调，使仿真得到的共模阻抗曲线与实际测量的共模阻抗曲线尽可能的吻合。最终得到的共模阻抗的相角和幅度曲线分别如图4、图5所示，仿真得到的共模阻抗曲线与实际测量的共模阻抗曲线对比如图6所示，从图6可知，仿真得到的共模阻抗的幅值和实际测量的共模阻抗的幅值之间的相对误差不大于2％，仿真得到的共模阻抗的相角和实际测量的共模阻抗的相角之间的相对误差不大于5％，就模型的拟合度而言，本发明提出的三相交流电机模型已经远远优于现有电机高频模型；就模型的使用价值而言，在实际电机驱动系统中，测量得到的共模电流、共模电压与从应用本发明模型的电机驱动仿真系统中测量得到的共模电流、共模电压高度吻合。
综上所述，本发明提供的三相电机高频模型，解决了现有的考虑了电机物理结构的电机高频模型但精度较差、不能满足工程需要和没有考虑电机物理结构的电机高频模型，又或者精度高、但是对工程以及电机研究没有指导意义的问题；实现了对电机的精准建模，本发明并不局限于本实施例，特别适用于与实验所用电机相似的三相交流电机和绕组呈‘Y’型连接永磁同步电机。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (2)

1.一种适用于分析共模干扰的三相交流电机高频模型，由U、V、W三相绕组电路并联构成；其特征在于，任一相绕组电路均包括：涡流损耗电阻、线圈寄生电感、匝间效应等效电阻、匝间效应等效电感、匝间效应等效电容、以及绕组前端与定子之间的杂散电容、绕组末端与定子之间的杂散电容，其中，所述涡流损耗电阻与线圈寄生电感并联形成一个并联网络、一端与电机绕组端点相连、另一端与电机中性点相连，所述匝间效应等效电阻、匝间效应等效电感与匝间效应等效电容依次串联形成一个串联网络、一端与电机绕组端点相连、另一端接地，所述绕组前端与定子之间的杂散电容接于电机绕组端点与地之间，所述绕组末端与定子之间的杂散电容接于电机中性点与地之间。
2.按权利要求1所述适用于分析共模干扰的三相交流电机高频模型，其特征在于，所述三相交流电机高频模型的模型参数计算过程为：
步骤1：采用拉普拉斯变换，写出电机高频模型的s域的阻抗表达式，并对阻抗表达式进行化简，得到阻抗表达式的分子和分母的阶数；
步骤2：根据实际测试阻抗曲线，在Matlab中进行曲线拟合得到拟合函数表达式，设置拟合函数表达式的分子和分母阶数与阻抗表达式的分子与分母的阶数相同；
步骤3：利用参数匹配法，根据阻抗表达式的分子、分母对应阶系数和拟合函数表达式的分子、分母对应阶系数，得到数学方程组；求解方程组即得到电机高频模型参数。
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