一种建立多芯屏蔽动力电缆频变多导体传输线模型的方法技术

一种建立多芯屏蔽动力电缆频变多导体传输线模型的方法，测量多芯屏蔽动力电缆的共模阻抗与差模阻抗，建立共模阻抗与差模阻抗的等效电路模型，间接推导出多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数，分别反演出电阻、电感、电容与电导的极点‑留数形式的有理函数多项式逼近，此时系统为稳定系统，当该稳定系统与无源网络、有源网络连接时，分别处理，实现单位长度频变电参数宽频等效电路中元件的无源化。本发明专利技术不仅考虑其结构不对称性对多导体传输线模型中电参数频变特性的影响，而且有效隔离了周围电磁干扰对阻抗测量结果的影响，提高了其测量精度；该方法适用于结构简单的动力电缆，通信线缆以及分裂导线等模型的频变多导体传输线建模。

Method for establishing frequency changing multiconductor transmission line model of multi-core shielding power cable

A method for establishing a multi-core shielded power cable frequency dependent multiconductor transmission line model, common mode impedance measurement of shielded power cables and differential mode impedance, a common mode impedance and differential mode impedance equivalent circuit model is derived, indirect shielded power cable multi conductor transmission line frequency dependent electrical parameters per unit length, respectively. Inverse approximation resistance, inductance and capacitance and conductance of the pole residue form rational function polynomial, the system is stable when the system, stable system and passive network, active network connection, respectively, to achieve the unit length frequency of passive element parameters in electrical equivalent circuit. The invention not only the structure asymmetry influence on the model of multi conductor transmission line in electric frequency dependent characteristics are taken into account, and effectively isolating the surrounding electromagnetic interference effect on impedance measurement results, improves the measurement accuracy; the method is suitable for power cable has the advantages of simple structure, communication cable and conductor models such as variable frequency the multi conductor transmission line model.

【技术实现步骤摘要】
一种建立多芯屏蔽动力电缆频变多导体传输线模型的方法
本专利技术涉及动力电缆宽频建模，具体涉及一种建立多芯屏蔽动力电缆频变多导体传输线模型的方法。
技术介绍
根据国际无线电干扰特别委员会CISPR.22标准，传导电磁干扰的频率范围为150kHz～30MHz。在该频率范围内，电机变频驱动系统中，连接变频器输入与输出的动力电缆的尺寸相对于传导电磁干扰最小波长一般属于“电大尺寸”。为了准确建立其模型，应采用多导体传输线分布参数模型。动力电缆结构通常较复杂，呈现一定的不对称性；除动力线与地线外，往往还有温度控制线等，多根导体按照一定节距扭绞在一起；此外，控制线及动力线周围还有一定覆盖面积的编织屏蔽层。由于集肤效应与邻近效应的共同影响，使得导体内部电流密度分布不均匀；频率越大，电流密度分布越不均匀，造成电阻与电感参数的频变特性越明显。而且，电缆绝缘材料介电常数的频变特性导致其单位长度电容与电导也随频率变化。因此，为了建立准确的动力电缆多导体传输线模型，应考虑其单位长度电阻、电感、电容以及电导等分布参数的频变特性。多导体传输线分布参数的获得主要有解析解法，数值法以及实验测量法等三种。解析解法能够精确处理结构简单的电缆模型，易考虑集肤效应对频变电阻的影响，但是电参数的频变特性很难考虑；数值方法便于计算结构较复杂的电缆，同时易考虑集肤效应与邻近效应，但对于具有编织屏蔽层及绞合缠绕的屏蔽电缆，其建模较复杂，且材料电参数的频变特性往往难以考虑；而实验测量法对传输线频变电参数的获取具有准确、快速、直接等优势，但测量结果也易受阻抗分析仪精度及周围电磁干扰的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种建立多芯屏蔽动力电缆频变多导体传输线模型的方法，该方法可以同时考虑动力电缆结构不对称性，集肤效应，邻近效应以及介质损耗等因素的影响。且频变电参数的等效电路宏模型是端口无源的，其中元件也是无源的，即严格无源的。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案实现。一种建立多芯屏蔽动力电缆频变多导体传输线模型的方法，包括以下步骤：第一步：根据共模阻抗与差模阻抗的定义，在电磁屏蔽室中，采用阻抗分析仪分别测量多芯屏蔽动力电缆不同接线方式时的共模阻抗与差模阻抗；第二步：在第一步基础上，建立共模阻抗与差模阻抗的等效电路模型，间接推导出多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数，包括电阻、电感、电容与电导；第三步：依据第二步得出的多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数，分别反演出电阻、电感、电容与电导的极点-留数形式的有理函数多项式逼近，该有理函数多项式包括常数项和比例项，实数极点项以及共轭复数极点对项；由于该有理函数多项式的极点的实数部分小于零，因此该多项式逼近系统为稳定系统；当该稳定系统与无源网络连接时生成不稳定的新系统时，此时的系统端口是有源的，则进行步骤四；当该稳定系统与无源网络连接时生成稳定的新系统时，此时的系统端口是无源的，则进行步骤五；第四步：在第三步的基础上，使用留数摄动法，即保持极点不变，根据端口无源约束条件，修改相应留数值，以误差最小作为目标函数，从而获得端口无源的频变参数模型；第五步：基于电路综合原理，分别获得单位长度频变电阻、电感、电容与电导的极点-留数形式的有理函数多项式逼近中的常数项和比例项，实数极点项以及共轭复数极点对项对应的等效电路，将所得3个等效电路并联之后得到单位长度频变电参数的宽频等效电路；当单位长度频变电参数的宽频等效电路中元件有负值时，即是有源的，则进行步骤六；当单位长度频变电参数的宽频等效电路中元件无负值时，即是无源的，实现了单位长度频变电参数宽频等效电路中元件的无源化；第六步：以单位长度频变电参数的宽频等效电路中元件值大于0作为约束变量，采用优化算法进行优化，以优化后的多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数与测量得出的多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数之间的误差最小作为目标函数，从而实现单位长度频变电参数宽频等效电路中元件的无源化。本专利技术进一步的改进在于，共模阻抗包括共模等效电阻、等效电感、等效电容以及等效电导，具体通过以下过程得到：以含有A、B、C三相动力线导体与地线导体并采用编织屏蔽层铠装的动力线缆作为待测电缆，在共模阻抗测量时，在待测线缆首端，将三相动力线与地线短接后和阻抗分析仪一端连接，将编织屏蔽层与阻抗分析仪另一端连接；在待测线缆尾端，将三相动力线与地线短接后通过单刀单掷开关与编织屏蔽层连接；单刀单掷开关闭合时，测量出共模等效电阻与等效电感；单刀单掷开关打开时，测量出共模等效电容与等效电导。本专利技术进一步的改进在于，差模阻抗测量时，为了考虑动力线缆结构不对称性对单位长度频变电参数的影响，设置三种不同的接线方式，具体如下：第一种差模阻抗测量接线方式：在待测线缆首端，将A相与B相动力线短接后与阻抗分析仪相连，C相与地线短接后与阻抗分析仪另一端短接；在待测线缆尾端，将A相与B相动力线短接后通过单刀单掷开关和C相与地线短接后的电路连接；当单刀单掷开关闭合时，测量出差模阻抗等效电阻与等效电感；单刀单掷开关打开时，测量出差模阻抗等效电容与电导；第二种差模阻抗测量接线方式：在待测线缆首端，将A相与C相动力线短接后与阻抗分析仪相连，B相与地线短接后与阻抗分析仪另一端短接；在待测线缆尾端，将A相与C相动力线短接后通过单刀单掷开关和B相与地线短接后的电路连接，分别测量出差模阻抗等效电阻、电感、电容以及电导；第三种差模阻抗测量接线方式：在待测线缆首端，将A相与地线短接后与阻抗分析仪相连，B相与C相短接后与阻抗分析仪另一端短接；在待测线缆尾端，将A相与地线短接后通过单刀单掷开关和B相与C相短接后的电路连接，分别测量出差模阻抗等效电阻、电感、电容以及电导。本专利技术进一步的改进在于，待测线缆的各相导体之间的互感耦合系数关系为式中：K12——动力线导体L1与L2之间的互感耦合系数；K13——动力线导体L1与L3之间的互感耦合系数；K23——动力线导体L2与L3之间的互感耦合系数；K1G——动力线导体L1与地线G之间的互感耦合系数；K2G——动力线导体L2与地线G之间的互感耦合系数；K3G——动力线导体L3与地线G之间的互感耦合系数。本专利技术进一步的改进在于，分别反演出电阻、电感、电容与电导的极点-留数形式的有理函数多项式逼近通过运用矢量匹配法实现。本专利技术进一步的改进在于，电阻、电感、电容与电导的极点-留数形式的有理函数多项式逼近如式(2)式中：Yrat(s)——Y(s)的有理函数拟合表达式；P——实数极点个数；s——复频域变量；Q——共轭复数极点对个数；ap——实数极点；cp——实数留数；aq、aq*——一对共轭复数极点；cq、cq*——一对共轭复数留数；d——常数项；h——比例项。本专利技术进一步的改进在于，优化算法为序列二次规划法与模拟退火算法。与现有技术相比，本专利技术具有显著的有益效果为：由于本专利技术采用阻抗分析仪在电磁屏蔽室中测量多芯屏蔽动力电缆阻抗，不仅考虑其结构不对称性对多导体传输线模型中电参数频变特性的影响，而且有效隔离了周围电磁干扰对阻抗测量结果的影响，提高了其测量精度；此外，采用阻抗分析仪的扫频功能兼顾了动力电缆集肤效应、邻近效应以及介电损耗等因素对电参数频变特性的影响；运用电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种建立多芯屏蔽动力电缆频变多导体传输线模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：根据共模阻抗与差模阻抗的定义，在电磁屏蔽室中，采用阻抗分析仪分别测量多芯屏蔽动力电缆不同接线方式时的共模阻抗与差模阻抗；第二步：在第一步基础上，建立共模阻抗与差模阻抗的等效电路模型，间接推导出多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数，包括电阻、电感、电容与电导；第三步：依据第二步得出的多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数，分别反演出电阻、电感、电容与电导的极点‑留数形式的有理函数多项式逼近，该有理函数多项式包括常数项和比例项，实数极点项以及共轭复数极点对项；由于该有理函数多项式的极点的实数部分小于零，因此该多项式逼近系统为稳定系统；当该稳定系统与无源网络连接时生成不稳定的新系统时，此时的系统端口是有源的，则进行步骤四；当该稳定系统与无源网络连接时生成稳定的新系统时，此时的系统端口是无源的，则进行步骤五；第四步：在第三步的基础上，使用留数摄动法，即保持极点不变，根据端口无源约束条件，修改相应留数值，以误差最小作为目标函数，从而获得端口无源的频变参数模型；第五步：基于电路综合原理，分别获得单位长度频变电阻、电感、电容与电导的极点‑留数形式的有理函数多项式逼近中的常数项和比例项，实数极点项以及共轭复数极点对项对应的等效电路，将所得3个等效电路并联之后得到单位长度频变电参数的宽频等效电路；当单位长度频变电参数的宽频等效电路中元件有负值时，即是有源的，则进行步骤六；当单位长度频变电参数的宽频等效电路中元件无负值时，即是无源的，实现了单位长度频变电参数宽频等效电路中元件的无源化；第六步：以单位长度频变电参数的宽频等效电路中元件值大于0作为约束变量，采用优化算法进行优化，以优化后的多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数与测量得出的多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数之间的误差最小作为目标函数，从而实现单位长度频变电参数宽频等效电路中元件的无源化。...

【技术特征摘要】
1.一种建立多芯屏蔽动力电缆频变多导体传输线模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：根据共模阻抗与差模阻抗的定义，在电磁屏蔽室中，采用阻抗分析仪分别测量多芯屏蔽动力电缆不同接线方式时的共模阻抗与差模阻抗；第二步：在第一步基础上，建立共模阻抗与差模阻抗的等效电路模型，间接推导出多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数，包括电阻、电感、电容与电导；第三步：依据第二步得出的多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数，分别反演出电阻、电感、电容与电导的极点-留数形式的有理函数多项式逼近，该有理函数多项式包括常数项和比例项，实数极点项以及共轭复数极点对项；由于该有理函数多项式的极点的实数部分小于零，因此该多项式逼近系统为稳定系统；当该稳定系统与无源网络连接时生成不稳定的新系统时，此时的系统端口是有源的，则进行步骤四；当该稳定系统与无源网络连接时生成稳定的新系统时，此时的系统端口是无源的，则进行步骤五；第四步：在第三步的基础上，使用留数摄动法，即保持极点不变，根据端口无源约束条件，修改相应留数值，以误差最小作为目标函数，从而获得端口无源的频变参数模型；第五步：基于电路综合原理，分别获得单位长度频变电阻、电感、电容与电导的极点-留数形式的有理函数多项式逼近中的常数项和比例项，实数极点项以及共轭复数极点对项对应的等效电路，将所得3个等效电路并联之后得到单位长度频变电参数的宽频等效电路；当单位长度频变电参数的宽频等效电路中元件有负值时，即是有源的，则进行步骤六；当单位长度频变电参数的宽频等效电路中元件无负值时，即是无源的，实现了单位长度频变电参数宽频等效电路中元件的无源化；第六步：以单位长度频变电参数的宽频等效电路中元件值大于0作为约束变量，采用优化算法进行优化，以优化后的多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数与测量得出的多芯屏蔽动力电缆多导体传输线中频变单位长度电参数之间的误差最小作为目标函数，从而实现单位长度频变电参数宽频等效电路中元件的无源化。2.根据权利要求1所述的一种建立多芯屏蔽动力电缆频变多导体传输线模型的方法，其特征在于，共模阻抗包括共模等效电阻、等效电感、等效电容以及等效电导，具体通过以下过程得到：以含有A、B、C三相动力线导体与地线导体并采用编织屏蔽层铠装的动力线缆作为待测电缆，在共模阻抗测量时，在待测线缆首端，将三相动力线与地线短接后和阻抗分析仪一端连接，将编织屏蔽层与阻抗分析仪另一端连接；在待测线缆尾端，将三相动力线与地线短接后通过单刀单掷开关与编织屏蔽层连接；单刀单掷开关闭合时，测量出共模等效电阻与等效电感；单刀单掷开关打开时，测量出共模等效电容与等效电导。3.根据权利要求2所述的一种建立多芯屏蔽动力电缆频变多导体传输线模型的方法，其特征在于，差模阻抗测...

【专利技术属性】
技术研发人员：皇甫幼朋，王曙鸿，邱浩，王红旭，杨娟宁，李治财，
申请(专利权)人：西安交通大学，秦川机床工具集团股份公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61