本發(fā)明涉及電機(jī)控制領(lǐng)域，尤其涉及一種減小感性電機(jī)負(fù)載與驅(qū)動(dòng)器之間相互作用的方法。
背景技術(shù)：
：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器不斷向高效率、小型化、低成本、高環(huán)境溫度和高可靠性的方向發(fā)展，并且可能需要滿足多項(xiàng)較高性能指標(biāo)的要求。然而，硅(silicon，si)功率器件由于硅材料本身的局限性使si器件的阻斷電壓、正向通態(tài)電阻、工作結(jié)溫、開關(guān)速度等已接近其理論極限，使其在高溫、高頻、大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用中更是捉襟見肘，限制了驅(qū)動(dòng)器性能的提高。以碳化硅(siliconcarbide，sic)材料為代表的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件具有更高的電壓等級(jí)、更快的開關(guān)速度、更高的工作結(jié)溫以及更低的開關(guān)損耗，由sic器件制作的永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有更優(yōu)越的性能。由sicmosfet構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，mosfet的高速開關(guān)使得他們的開關(guān)行為很容易受到電路寄生參數(shù)的影響，包括感性負(fù)載。感性負(fù)載主要指電機(jī)與其連接電纜，在pwm控制的逆變器中，使得開關(guān)速度和開關(guān)損耗由寄生參數(shù)的影響變得更糟。由于功率器件的開通和關(guān)斷產(chǎn)生的電壓脈沖具有較快的上升時(shí)間，引起電機(jī)繞組的相電壓波形畸變，在電機(jī)端的電機(jī)負(fù)載和長(zhǎng)線連接電纜產(chǎn)生雙重影響。該現(xiàn)象對(duì)電機(jī)絕緣強(qiáng)度造成不利影響，為減小該不利影響，需要加入專用濾波器或采用特殊電機(jī)。這種情況在由simosfet構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，由于si器件本身的局限性開關(guān)頻率并不是很高，但是對(duì)于由寬禁帶的sicmosfet構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，由于開關(guān)速度的提高需要高度重視。此外，由寬禁帶器件高速開關(guān)引起較高的dv/dt，造成電機(jī)繞組承受很大電流，降低了電機(jī)的可靠性。對(duì)于帶有較長(zhǎng)連接電纜的大功率感應(yīng)電機(jī)，其高頻的阻抗特性更差。因此，對(duì)于包含連接電纜電機(jī)的感性負(fù)載的處理，現(xiàn)有技術(shù)中缺少可以減小mosfet的高速開關(guān)造成開關(guān)瞬態(tài)性能和電機(jī)負(fù)載的不利影響的方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，提出一種減小感性電機(jī)負(fù)載與驅(qū)動(dòng)器之間相互作用的方法。該方法具體如下：步驟1：利用阻抗分析儀測(cè)得帶有連接電纜的感應(yīng)電機(jī)的高頻阻抗特性曲線，并由lrc串聯(lián)諧振支路并聯(lián)而成的lrc諧振電路來模擬感性電機(jī)負(fù)載的高頻特性；將表示高頻時(shí)渦流引起的鐵芯損耗的等效電阻與定子繞組電感并聯(lián)在lrc諧振電路旁；步驟2：測(cè)得驅(qū)動(dòng)器中sicmosfet開關(guān)電壓換向時(shí)間與負(fù)載電流關(guān)系；選取一個(gè)開關(guān)電壓換向時(shí)間，所述的開關(guān)電壓換向時(shí)間滿足大于驅(qū)動(dòng)器中所有sicmosfet開關(guān)的開通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間；且所述的關(guān)斷時(shí)間是除去電機(jī)輕載的關(guān)斷時(shí)間；步驟3：根據(jù)公式：其中tv,worst為步驟2得到的開關(guān)電壓換向時(shí)間，fring為lrc諧振電路所需滿足的諧振頻率；選擇附加電感，并接在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出導(dǎo)線上，從而使得lrc諧振電路的諧振頻率為fring。作為一種優(yōu)選：步驟3中所用的電感是空心電感，且空心電感根據(jù)電機(jī)的最小運(yùn)行相電流選擇磁芯尺寸，直徑d和匝數(shù)n滿足最小功耗時(shí)的最短銅線要求。作為一種優(yōu)選：步驟1中阻抗分析儀對(duì)感性電機(jī)在進(jìn)行阻抗測(cè)量時(shí)，根據(jù)電機(jī)的對(duì)稱性，將測(cè)量電路的測(cè)量值平均后作為感性電機(jī)負(fù)載的高頻阻抗特性曲線。作為一種優(yōu)選：lrc串聯(lián)諧振支路的頻率分別取自高頻阻抗特性曲線波谷點(diǎn)所在的頻率。作為一種優(yōu)選：步驟3中的電感安裝在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的三相輸出端子所連接的驅(qū)動(dòng)電路的橋臂中性點(diǎn)上。作為一種優(yōu)選：輸出導(dǎo)線是疊層功率導(dǎo)線。綜上所述，本發(fā)明的方法及其裝置的有益效果是：通過上述步驟得到的附加電感安裝到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上后，可以減少集膚效應(yīng)和定子繞組匝間電容等寄生參數(shù)產(chǎn)生的阻抗特性。即：感性電機(jī)負(fù)載與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的相互影響變小，曲線反應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)效果更好。減小mosfet的高速開關(guān)造成開關(guān)瞬態(tài)性能和電機(jī)負(fù)載的不利影響。附圖說明圖1：包含連接電纜的感應(yīng)電機(jī)的高頻等效電路。圖2：電機(jī)阻抗測(cè)量電路。圖3：阻抗分析儀測(cè)得的包含連接電纜的感應(yīng)電機(jī)負(fù)載的高頻阻抗特性曲線。圖4：包含連接電纜的感應(yīng)電機(jī)的高頻等效電路的一種實(shí)施例。圖5：感性負(fù)載和附加電感的高頻阻抗特性對(duì)比。圖6：電壓換向時(shí)間與負(fù)載電流關(guān)系。圖7：空心電感的取值曲線。圖8：加入附加電感l(wèi)aux之后的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖。圖9：加入附加電感l(wèi)aux后感性電機(jī)負(fù)載的高頻阻抗特性曲線。圖10：加入附加電感l(wèi)aux之后的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施方式如圖1所示的包含連接電纜的感應(yīng)電機(jī)的高頻等效電路，通過lrc諧振電路來等效感應(yīng)電機(jī)中由集膚效應(yīng)和定子繞組匝間電容等寄生參數(shù)產(chǎn)生的阻抗特性。將表示高頻時(shí)渦流引起的鐵芯損耗的等效電阻re與定子繞組電感l(wèi)d并聯(lián)在lrc諧振電路旁，線路的雜散電阻rstray和電感l(wèi)stray串接在并聯(lián)電路上。實(shí)際使用該等效電路模型的方法是：步驟1——采用agilent4294a阻抗分析儀20對(duì)以連接電纜2m、功率為7.5kw的感應(yīng)電機(jī)10的阻抗進(jìn)行測(cè)量，連接示意圖如圖2所示。在進(jìn)行阻抗測(cè)量時(shí)：采取某一相獨(dú)立，其余兩相并聯(lián)后連接到阻抗器，類似圖中阻抗器的一端連接a相，bc相接一起后連接到阻抗器的另一端；上述三種連接電路可能出現(xiàn)三個(gè)不同的測(cè)量值，根據(jù)電機(jī)的對(duì)稱性，三組數(shù)值的平均值作為一種優(yōu)化計(jì)算得到最終的電機(jī)輸入阻抗，測(cè)量的頻率特性如圖3所示。線路的雜散電阻rstray、電感l(wèi)stray較小，主要決定高頻阻抗特性，在低頻時(shí)可以忽略不計(jì)，本實(shí)例中電機(jī)的ld為2000μh，電機(jī)在高頻時(shí)渦流引起的鐵芯損耗，用等效電阻re表示，在高頻時(shí)，繞組電阻本身的阻尼作用小，須靠re的阻尼作用，因此re在等效電路中可以放在與繞組電感l(wèi)d平行的位置。采用四個(gè)串聯(lián)諧振支路l1r1c1、l2r2c2、l3r3c3、l4r4c4用來表示由集膚效應(yīng)和定子繞組匝間電容等寄生參數(shù)產(chǎn)生的阻抗特性，其諧振頻率分別對(duì)應(yīng)圖3中l(wèi)rc串聯(lián)諧振支路的頻率f1、f2、f3、f4，分別取自高頻阻抗特性曲線波谷點(diǎn)所在的頻率。由阻抗分析儀得諧振頻率f1＝6mhz、f2＝24.5mhz、f3＝50mhz、f4＝80mhz，fe＝0.13mhz。afe段表示ld、re并聯(lián)的幅頻特性，在頻率fe處的阻抗值為1.5kω，因此，re＝1.5kω。電路在發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)頻率滿足關(guān)系式：在f1b段表示l1r1c1支路的幅頻特性，對(duì)于l1r1c1支路，有：在諧振頻率f1處，由于感抗和容抗相等，此時(shí)幅頻特性的阻抗值為1ω，可得r1的阻值為1ω，c1的值可由式(1)計(jì)算。類似的計(jì)算最終得到實(shí)際包含鏈接電纜的感應(yīng)電機(jī)的高頻等效電路如圖4所示。根據(jù)圖4所示，電感l(wèi)d相比于其他諧振支路，其感值很大，在開關(guān)瞬態(tài)可以視為電流源，因此，mosfet的開關(guān)行為受其他lrc串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)影響。以開通瞬間為例，在dv/dt瞬間，每一個(gè)lrc串聯(lián)諧振支路都會(huì)產(chǎn)生諧振電流，即：i1～i4，該電流流入mosfet功率器件，使得mosfet的漏源極電流增加，開通速度減慢，導(dǎo)致較大的開通損耗。同時(shí)，在關(guān)斷瞬間，lrc串聯(lián)諧振支路引起的諧振電流使得電機(jī)的等效相電流減小，給mosfet器件的輸出電容充放電，導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間更長(zhǎng)，降低了關(guān)斷速度。為減小感性負(fù)載的寄生參數(shù)對(duì)開關(guān)速度及系統(tǒng)的不利影響，有必要抑制開關(guān)過程中產(chǎn)生的諧振電流。采用方法：調(diào)節(jié)lrc諧振電路的諧振周期，使其大于開關(guān)換向時(shí)間。以至于對(duì)該諧振網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)瞬態(tài)產(chǎn)生的開關(guān)電壓對(duì)這種諧振網(wǎng)絡(luò)幾乎沒有響應(yīng)。如圖5所示：本實(shí)施例中f1相對(duì)于f2、f3、f4，頻率較低，可認(rèn)定為低諧振頻率，且對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的影響最大，故實(shí)施例忽略高諧振頻率lrc支路f2、f3、f4，設(shè)計(jì)一附加電感用于改變l1r1c1支路的諧振頻率，使其由f1轉(zhuǎn)為fring，那么，對(duì)應(yīng)的諧振周期tring就會(huì)大于開關(guān)電壓的換向時(shí)間。因此，在開關(guān)瞬態(tài)諧振電流i1保持較小值。附加電感的感值laux由fring決定，直接和開關(guān)電壓的換向時(shí)間有關(guān)。因此步驟2就是選取一個(gè)開關(guān)電壓換向時(shí)間。而開關(guān)電壓換向時(shí)間隨著運(yùn)行條件的不同而變化，因此，選擇一個(gè)合適的開關(guān)電壓換向時(shí)間很關(guān)鍵，以保證感性負(fù)載在最惡劣的運(yùn)行條件下使得mosfet的開關(guān)瞬態(tài)性能不受影響。由圖6可以看出，開關(guān)電壓換向時(shí)間由運(yùn)行電流決定，在輕載時(shí)，關(guān)斷瞬態(tài)的開關(guān)電壓換向時(shí)間最長(zhǎng)。如果由輕載時(shí)關(guān)斷瞬態(tài)的開關(guān)電壓換向時(shí)間來計(jì)算fring，滿足要求的laux將會(huì)很大，而關(guān)斷損耗在輕載時(shí)幾乎為0，大感值的laux并沒很明顯的優(yōu)勢(shì)。因此，需要選擇一個(gè)開關(guān)電壓換向時(shí)間，使其大于所有的開通時(shí)的換向時(shí)間，同時(shí)，大于不包括輕載關(guān)斷時(shí)的其他換向時(shí)間，使得在其他運(yùn)行條件下的開關(guān)損耗不受感性負(fù)載寄生參數(shù)的影響。因此，步驟3：選擇附加電感，并接在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出導(dǎo)線上，從而使得lrc諧振電路的諧振頻率為fring。fring滿足公式：其中，tv,worst代表最惡劣的運(yùn)行條件下的開關(guān)電壓換向時(shí)間，即步驟2中確定的開關(guān)電壓換向時(shí)間。本實(shí)例中，為600v/10a時(shí)的34ns，由于由諧振頻率fring確定的諧振周期tring遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于tv,worst，故取tring為tv,worst的10倍，因此可計(jì)算fring為3mhz。結(jié)合感性負(fù)載的高頻阻抗特性，需要2μh的電感。加入2μh的附加電感，在原來帶連接電纜的電機(jī)負(fù)載中的高諧振頻率，如f2、f3、f4得到抑制。此外，諧振頻率f1支路的諧振頻率由6mhz轉(zhuǎn)為3mhz。2μh的附加電感可以滿足上述設(shè)計(jì)要求?？紤]到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為三相逆變器系統(tǒng)，則需要在電機(jī)每一相接入的電感感值為2×2/3＝1.4μh。對(duì)于附加電感，除了選擇合適的感值，其物理設(shè)計(jì)也會(huì)影響附加電感帶來的損耗，因此，附加電感的物理設(shè)計(jì)也很重要。為此，需要以減小由附加電感引起額外損耗和開關(guān)損耗為設(shè)計(jì)目標(biāo)?？紤]到附加電感的感值較小，可以采用空心電感。首先，根據(jù)電機(jī)的最小運(yùn)行相電流選擇磁芯尺寸，以三相逆變器中每相11a的電流為例，銅線的最大電流密度為4a/mm2，需要選擇分導(dǎo)線直徑awg為12的磁芯。空心電感的直徑d和匝數(shù)n需要依據(jù)由附加電感引起的最小功耗時(shí)的最短銅線(n×mlt，mlt為每匝線圈的長(zhǎng)度)所要求的電感值設(shè)計(jì)。感值可以由公式(3)計(jì)算：l＝(25.4×d2×n2)/(18d+40l)(3)其中，電感l(wèi)的單位為μh，d為線圈直徑，單位為mm，n為匝數(shù)，l為線圈長(zhǎng)度，單位為mm，由匝數(shù)n和銅線直徑d決定。根據(jù)式(3)，1.4μh附加電感的n和d之間的關(guān)系如圖7所示。為減小銅線長(zhǎng)度(n×mlt)，需要實(shí)現(xiàn)n和d之間的最優(yōu)化。本實(shí)例中，對(duì)于12awg線規(guī)的銅線，當(dāng)n取6或7時(shí)，n×mlt為最小。設(shè)計(jì)的3個(gè)空心電感參數(shù)遵照表1參數(shù)。表1空心電感參數(shù)設(shè)計(jì)最大電流密度每相電流有效值awgnd4.0a/mm211a12730mm如圖8所示：將計(jì)算得到的附加電感，并接在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出導(dǎo)線上，進(jìn)一步的電感安裝在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的三相輸出導(dǎo)線所連接的驅(qū)動(dòng)電路的橋臂中性點(diǎn)上。從而使得lrc諧振電路的諧振頻率為fring。進(jìn)一步的輸出導(dǎo)線是疊層功率導(dǎo)線，可以進(jìn)一步減少干擾，提高曲線平滑性。如圖9所示，增加附加電感后，以諧振頻率f1支路為主要影響的lrc諧振電路的諧振頻率從6mhz轉(zhuǎn)為3mhz，并且在此頻率之上的曲線的波動(dòng)變小，即：通過該方法可以重塑感性電機(jī)負(fù)載在高頻時(shí)的電感性能，感性負(fù)載與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間的相互影響變小，曲線反應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)效果更好。減小mosfet的高速開關(guān)造成開關(guān)瞬態(tài)性能和電機(jī)負(fù)載的不利影響。若sicmosfet構(gòu)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制的是直流電動(dòng)機(jī)，則同樣利用本發(fā)明方法計(jì)算的附加電感的連接方式如圖10所示，只需接在單相導(dǎo)線橋臂中性點(diǎn)上，從而提高電機(jī)的高頻響應(yīng)曲線的平滑度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制效果。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。當(dāng)前第1頁12