变频驱动系统传导电磁干扰的全电路模型构建方法及仿真评估方法技术方案

本发明专利技术公开了一种变频驱动系统传导电磁干扰的全电路模型构建方法及仿真评估方法，根据传导电磁干扰耦合路径上不同元器件特性，采用特定的建模方法分别建立其宽频等效电路模型，在此基础上根据传导电磁干扰机理建立完整的变频驱动系统传导电磁干扰仿真电路模型。本发明专利技术通过对仿真电路关键节点选择特定电压电流仿真初值，加速传导电磁干扰仿真分析速度，从而快速评估变频驱动系统传导电磁干扰水平，通过仿真分析不同电路参数下系统传导电磁干扰水平的变化规律，提供变频驱动系统电磁兼容正向设计的依据。

【技术实现步骤摘要】
变频驱动系统传导电磁干扰的全电路模型构建方法及仿真评估方法
本专利技术属于电力电子仿真
，具体涉及一种变频驱动系统传导电磁干扰的全电路模型构建方法及仿真评估方法。
技术介绍
变频驱动系统采用变频调速系统(VariableVoltageandVariableFrequency，VVVF)改变交流电机工作电压的幅度和频率，实现交流电机速度和转矩的平滑控制，VVVF通常采用脉冲宽度调制(PulseWidthModulation，PWM)控制内部功率开关器件的开通关断。由于功率开关器件长期工作在高电压、大电流的工况下，开关速度快，使得开通关断过程中器件两端的电压变化率dv/dt和流经器件的电流变化率di/dt较大，包含丰富的高次谐波成分，在变频驱动系统高频寄生参数的影响下，产生显著的宽频带电磁干扰(ElectromagneticInterference，EMI)，特别是在传导电磁干扰方面，给变频驱动系统的电磁兼容(ElectromagneticCompatibility，EMC)设计带来巨大挑战。因此需要对变频驱动系统进行传导电磁干扰建模仿真及评估，以便在系统设计阶段对EMC做出考虑。通常变频驱动系统传导电磁干扰模型的建模及仿真方法有两种：频域法和时域法。频域法在已知或计算得到干扰源频谱后，通过建立传导电磁干扰耦合路径的阻抗-频率模型，直接在频域上进行扫频仿真计算，能够快速得到系统传导电磁干扰频谱特性，但频域模型的准确建立需要对传导干扰源和干扰回路具有清晰的认识。时域法是建立在对系统传导电磁干扰回路各元器件建立高频等效电路模型的基础上，通过电路仿真得到关键节点的电压电流时域波形，借助快速傅里叶变换将时域波形转换为频谱，该方法较为直观，但元器件电路模型的建立较为复杂困难，且可能存在仿真速度过慢甚至仿真计算不收敛问题。针对变频驱动系统传导电磁干扰建模及仿真方法，中车株洲所电气技术与材料工程研究院的杨德勇等人在文献《杨德勇,支永健,闵建军,等.PWM逆变驱动系统传导干扰分析及抑制[J].变流技术,2017,000(003):1-7》中提出一种基于等效谐波源的系统传导电磁干扰简化计算模型，但未考虑无源元件电容的高频模型以及未说明各元器件高频参数的提取方法。北京航天发射技术研究所的段卓琳等人在文献《段卓琳、张栋、范涛.SiC电机驱动系统传导电磁干扰建模及预测[J].电工技术学报,2020,v.35(22):110-122.》中提出了一种SiC电机驱动系统的传导EMI等效电路建模及预测方法，基于有限元仿真提取母排杂散电感参数，但只在单一频率点下提取寄生参数。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种变频驱动系统传导电磁干扰的全电路模型构建方法及仿真评估方法，系统性总结了干扰源动态模型和传导电磁干扰耦合路径高频模型，并采用了优化计算措施加速仿真分析过程。一种变频驱动系统传导电磁干扰的全电路模型构建方法，所述变频驱动系统包括直流源、滤波电感、支撑电容、放电电阻、逆变器以及感应电机，其中直流源的正极与滤波电感的一端相连，滤波电感的另一端与支撑电容的一端、放电电阻的一端以及逆变器直流侧正极端口相连，直流源的负极与支撑电容的另一端、放电电阻的另一端以及逆变器直流侧负极端口相连，逆变器的交流侧与感应电机连接；所述全电路模型构建方法包括如下步骤：(1)建立变频驱动系统传导电磁干扰的电磁干扰源模型；(2)建立变频驱动系统传导电磁干扰路径的结构件高频电路模型；(3)建立变频驱动系统传导电磁干扰路径的无源元件高频等效电路模型；(4)建立变频驱动系统传导电磁干扰路径的供电线缆高频电路模型；(5)建立变频驱动系统传导电磁干扰路径的电机高频阻抗模型；(6)建立变频驱动系统的控制模型；(7)根据变频驱动系统传导电磁干扰机理，将步骤(1)～(6)中构建得到的模型进行连接，从而得到变频驱动系统传导电磁干扰完整的全电路模型，并在逆变器直流输入端口和交流输出端口添加电压电流测量装置。进一步地，所述步骤(1)的具体实现方式为：以逆变器内IGBT模块开关动作产生的电压变化率和电流变化率作为干扰源，利用器件参数化特征建模工具采用器件数据手册中的特性曲线提取模型静态参数，采用器件数据手册中的开通关断特性参数提取模型动态参数，生成可导入电路仿真平台的IGBT模块器件级行为模型即所述的电磁干扰源模型。进一步地，所述步骤(2)的具体实现方式为：在三维机械设计软件中建立逆变器的金属箱体及其铜排和叠层母排的三维结构尺寸模型，并将其导入高频寄生参数仿真软件中，通过在宽频带内进行有限元扫频仿真分析，得到传导电磁干扰频率范围内的结构件高频电路模型，其中扫频范围为140kHz～30.01MHz，覆盖整个传导电磁干扰频率范围，扫频步长为10kHz，保证足够频率点下的高频寄生参数数据用于模型拟合；由于扫频分析中各频率点仿真计算相互独立，因此采用计算机多核并行计算可加速仿真提取高频寄生参数。进一步地，所述步骤(3)的具体实现方式如下：3.1对于系统中的任一无源元件即滤波电感、支撑电容或放电电阻，采用阻抗分析仪测试无源元件在传导电磁干扰频率范围内的阻抗幅频特性曲线，根据阻抗幅频特性曲线测试结果中谐振点个数(一般为1～3个)，确定无源元件的高频等效电路模型；3.2初始化一定规模的种群，种群中的每一个体均由N维向量表示，N为无源元件高频等效电路模型中的元件个数，向量中的N个元素值即对应这N个元件的参数值，初始化种群中的个体初值采用元件数据手册给定值的50％到150％范围内随机搜索确定；3.3采用遗传算法通过个体进行交叉变异使得种群不断迭代更新，最终提取输出最优个体，作为无源元件高频等效电路模型的模型参数。进一步地，所述遗传算法采用的适应度函数表达式如下：其中：F为适应度函数值，fi为传导电磁干扰频率范围内的第i个频率点，fk为无源元件阻抗幅频特性曲线中第k个谐振点的频率，Zi为无源元件在第i个频率点对应的阻抗测试结果值，Zi′为基于个体模型参数下在第i个频率点对应的无源元件高频等效电路模型阻抗值，n为传导电磁干扰频率范围内的频率点个数，m为无源元件阻抗幅频特性曲线中的谐振点个数，||表示取模。进一步地，对于滤波电感，其高频等效电路模型由mL个RLC等效电路模块HL级联而成，所述RLC等效电路模块HL由电感L、电阻R以及电容C并联而成，mL为滤波电感阻抗幅频特性曲线中的谐振点个数；对于支撑电容，其高频等效电路模型由mC个RLC等效电路模块HC级联而成，所述RLC等效电路模块HC由电阻R、电感L以及电容C依次串联而成，mC为支撑电容阻抗幅频特性曲线中的谐振点个数；对于放电电阻，其高频等效电路模型由mR个RLC等效电路模块HR级联而成，所述RLC等效电路模块HR包括电阻R、电感L以及电容C，电阻R与电感L串联后与电容C并联，mR为放电电阻阻抗幅频特性曲线中的谐振点个数。进一步地，所述步骤(4)的具体实现方式为：在高频寄生参数仿真软件中建立单位长度供电线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种变频驱动系统传导电磁干扰的全电路模型构建方法，所述变频驱动系统包括直流源、滤波电感、支撑电容、放电电阻、逆变器以及感应电机，其中直流源的正极与滤波电感的一端相连，滤波电感的另一端与支撑电容的一端、放电电阻的一端以及逆变器直流侧正极端口相连，直流源的负极与支撑电容的另一端、放电电阻的另一端以及逆变器直流侧负极端口相连，逆变器的交流侧与感应电机连接；其特征在于，所述全电路模型构建方法包括如下步骤：/n(1)建立变频驱动系统传导电磁干扰的电磁干扰源模型；/n(2)建立变频驱动系统传导电磁干扰路径的结构件高频电路模型；/n(3)建立变频驱动系统传导电磁干扰路径的无源元件高频等效电路模型；/n(4)建立变频驱动系统传导电磁干扰路径的供电线缆高频电路模型；/n(5)建立变频驱动系统传导电磁干扰路径的电机高频阻抗模型；/n(6)建立变频驱动系统的控制模型；/n(7)根据变频驱动系统传导电磁干扰机理，将步骤(1)～(6)中构建得到的模型进行连接，从而得到变频驱动系统传导电磁干扰完整的全电路模型，并在逆变器直流输入端口和交流输出端口添加电压电流测量装置。/n

【技术特征摘要】
1.一种变频驱动系统传导电磁干扰的全电路模型构建方法，所述变频驱动系统包括直流源、滤波电感、支撑电容、放电电阻、逆变器以及感应电机，其中直流源的正极与滤波电感的一端相连，滤波电感的另一端与支撑电容的一端、放电电阻的一端以及逆变器直流侧正极端口相连，直流源的负极与支撑电容的另一端、放电电阻的另一端以及逆变器直流侧负极端口相连，逆变器的交流侧与感应电机连接；其特征在于，所述全电路模型构建方法包括如下步骤：
(1)建立变频驱动系统传导电磁干扰的电磁干扰源模型；
(2)建立变频驱动系统传导电磁干扰路径的结构件高频电路模型；
(3)建立变频驱动系统传导电磁干扰路径的无源元件高频等效电路模型；
(4)建立变频驱动系统传导电磁干扰路径的供电线缆高频电路模型；
(5)建立变频驱动系统传导电磁干扰路径的电机高频阻抗模型；
(6)建立变频驱动系统的控制模型；
(7)根据变频驱动系统传导电磁干扰机理，将步骤(1)～(6)中构建得到的模型进行连接，从而得到变频驱动系统传导电磁干扰完整的全电路模型，并在逆变器直流输入端口和交流输出端口添加电压电流测量装置。


2.根据权利要求1所述的全电路模型构建方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体实现方式为：以逆变器内IGBT模块开关动作产生的电压变化率和电流变化率作为干扰源，利用器件参数化特征建模工具采用器件数据手册中的特性曲线提取模型静态参数，采用器件数据手册中的开通关断特性参数提取模型动态参数，生成可导入电路仿真平台的IGBT模块器件级行为模型即所述的电磁干扰源模型。


3.根据权利要求1所述的全电路模型构建方法，其特征在于：所述步骤(2)的具体实现方式为：在三维机械设计软件中建立逆变器的金属箱体及其铜排和叠层母排的三维结构尺寸模型，并将其导入高频寄生参数仿真软件中，通过在宽频带内进行有限元扫频仿真分析，得到传导电磁干扰频率范围内的结构件高频电路模型，其中扫频范围为140kHz～30.01MHz，覆盖整个传导电磁干扰频率范围，扫频步长为10kHz，保证足够频率点下的高频寄生参数数据用于模型拟合；由于扫频分析中各频率点仿真计算相互独立，因此采用计算机多核并行计算可加速仿真提取高频寄生参数。


4.根据权利要求1所述的全电路模型构建方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体实现方式如下：
3.1对于系统中的任一无源元件即滤波电感、支撑电容或放电电阻，采用阻抗分析仪测试无源元件在传导电磁干扰频率范围内的阻抗幅频特性曲线，根据阻抗幅频特性曲线测试结果中谐振点个数，确定无源元件的高频等效电路模型；
3.2初始化一定规模的种群，种群中的每一个体均由N维向量表示，N为无源元件高频等效电路模型中的元件个数，向量中的N个元素值即对应这N个元件的参数值，初始化种群中的个体初值采用元件数据手册给定值的50％到150％范围内随机搜索确定；
3.3采用遗传算法通过个体进行交叉变异使得种群不断迭代更新，最终提取输出最优个体，作为无源元件高频等效电路模型的模型参数。


5.根据权利要求4所述的全电路模型构建方法，其特征在于：所述遗传算法采用的适应度函数表达式如下：



其中：F为适应度函数值，fi为传导电磁干扰频...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈恒林，许哲翔，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33