电缆传输线参数提取仿真研究*

吴文力 李建轩 胡希岩

(海军装备研究院 上海 200235)



电缆传输线参数提取仿真研究*

吴文力 李建轩 胡希岩

(海军装备研究院 上海 200235)

研究变频器采用长电缆驱动电机引起的过电压需提取长电缆的传输线参数。在分析电缆传输线常见分布参数模型的基础上,利用Q3D软件建立了几种常见的电缆布局模型并进行仿真计算,快速、简便地提取了电缆的分布参数。

传输线; 分布参数; 仿真计算

Class Number TP31

1 引言

PWM逆变器在采用长线电缆传输驱动异步电动机时,由于长电缆的分布特性PWM脉冲波电压经电缆传输在电机端子上产生反射,引起电机端子过电压,增加电机绕组的电压应力,缩短了绕组绝缘寿命[1～4]。为抑制过电压,采用有源滤波或无源滤波等技术都需要得到电缆的分布参数。分布参数的提取一般采用实验的方法提取,文献[5]通过传输线终端开路和短路的条件下在起端测试确定了电缆的分布参数,但是在电缆长度较长时不便实验布置,参数提取也较为复杂。文献[6]提出的方法虽然比较简单,但得到的结果精度较低。

本文分析传输线原理,介绍了电缆传输线常见分布参数模型;利用Ansoft Q3D软件建立了几种常见的电缆布局模型并进行仿真计算,提取了电缆的分布参数。

2 均匀传输线的数学模型

由于均匀传输线的各电路参数均匀地分布于传输线的全线上,因而其电压和电流既是时间t的函数,也是空间x的函数。即均匀传输线的电压和电流方程是含有两个变量t和x的偏微分方程。

传输线上传输的电信号除了存在时间和空间的变化之外,当传输线末端接的负载不匹配时还有驻波分布,单根电缆的传输线模型如图1所示。

图1 均匀传输线电路模型

根据基尔霍夫定律可得如图1所示电路模型的电压、电流关系如式1所示,即传输线的电报方程。其中,u(x,t)、i(x,t)为沿线电压与电流;R0、L0、G0、C0分别为单位长度电阻、为电感、对地电容、对地电导,称为传输线的一次参数。

(1)

3 仿真研究

目前研究传输线参数仿真方法较多,其中有限元法在传输线参数问题方面有其独特优势[7～9]。Q3D Extractor是Ansoft公司推出的一款高性能的寄生参数提取工具[4]。使用有限元法(FEM)的准静态二维电磁场分析,可用于提取传输线的每单位上的RLCG参数;输出模型的特性阻抗(Z0)矩阵;获得传播速度、延迟、损耗、有效介电常数、差模和共模参数、近端和远端串扰系数等,并支持表面粗糙度建模。

3.1 仿真模型的建立

单根电缆内导体由2831根直径0.3mm镀锡软铜丝组成,仿真时用半径7.97885mm的铜丝(截面积200mm2)代替;电缆绝缘层为厚度3mm的耐温硅橡胶,仿真用介电常数为3、体积电导率为10～15s/m的橡胶材料替代;电缆防护层为厚度2mm的阻燃交联聚烯挤包,仿真用介电常数为2.25、介电损耗因数为0.01的聚乙烯材料替代。在Q3D中建立电缆的仿真模型如图2所示。

图2 单根电缆的仿真模型

图3 电缆品字形布局

3.2 仿真计算

建立模型后对三相品字形布局、平行布局、间隔电缆直径平行布局及间隔2倍电缆直径平行布局等四种布局情况模型,根据三相PWM驱动原理,将整个系统作为一个整体看,每个开关导通时刻,电流从一相电缆流入,另外两相流出。因此,仿真计算时设置电流从一相电缆流入,另外两相流出。

1) 品字形布局

如图3所示三相电缆成拼字形布局。电缆A加载信号、电缆BC加载参考信号地(软件中默认这两者中电流一进一出的关系),得到计算结果如表1所示。

表1 计算结果

2) 平行直线紧挨布局

如图4所示三相电缆成拼字形布局。第一种加载方式为A相电缆加载为参考地,BC相电缆加载信号;第二种加载方式为AC相电缆加载为参考地,B相电缆加载信号,得到计算结果如表2所示。

图4 平行直线紧挨布局

加载方式C(pF/m)G(mSie/m)R(ohm/m)L(nH/m)第一种加载31．22632．2448E⁃50．011849480．77第二种加载48．8324．0505E⁃50．0099969325．89

3) 平行直线间隔电缆直径布局

如图5所示三相电缆成平行直线间隔电缆直径布局。电缆A加载信号、电缆BC加载参考信号地(软件中默认这两者中电流一进一出的关系),得到计算结果如表3所示。

图5 平行直线间隔电缆直径布局

加载方式C(pF/m)G(mSie/m)R(ohm/m)L(nH/m)第一种加载17．3793．7326E⁃50．010344725．63第二种加载23．816．231E⁃50．0096703545．61

4) 平行直线间隔2倍电缆直径布局

如图5所示三相电缆成平行直线间隔电缆直径布局。电缆A加载信号、电缆BC加载参考信号地,得到计算结果如表4所示。

图6 平行直线间隔2倍电缆直径布局

加载方式C(pF/m)G(mSie/m)R(ohm/m)L(nH/m)第一种加载14．3522．3142E⁃50．0099151855．59第二种加载18．7613．6982E⁃50．0093624669．25

根据计算结果可知,在品字形布局时电缆间的电容最大,但电感最小;间隔2倍电缆直径布局时电容最小,但电感最大。从电磁场原理分析这是因为增大电缆间距,增大了耦合距离,减小了耦合电容;增大电缆间距,增大了电流回路从而增大了回路电感。

建立模型后可以快速算出电力电缆单位长度的传输线参数,将上述四种计算结果与文献[11]中改进实验方法得到的结果相比,在数量级上保持了一致,一定程度上验证了该仿真方法的有效性。

4 结语

本文分析传输线原理,介绍了电缆传输线常见分布参数模型;利用商业软件Ansoft Q3D建立了几种常见的电缆布局模型并进行仿真计算,快速、简便地提取了电缆的分布参数。该仿真计算方法可为长电缆传输滤波设计、电力电缆通信等的传输线参数提取提供验证和支撑。

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Extraction Simulation of Cable Transmission Line Parameters

WU Wenli LI Jianxuan HU Xiyan

(Naval Academy of Armament, Shanghai 200235)

Over-voltage caused by inverter drive motor with long cable need to extract long cable transmission line parameters are researched. Based on the analysis of common cable transmission line model of distributed parameter, several simulation models of the common cable are established by Q3D software, to fastly and simply extract the distribution parameters.

transmission line, distribution parameters, simulation

2014年9月17日,

2014年10月31日

吴文力,男,硕士,工程师,研究方向:电力系统电磁兼容。李建轩,男,硕士,工程师,研究方向:舰船电磁兼容工程、试验、标准化等。胡希岩,男,助理工程师,研究方向:舰船总体标准化。

TP31

10.3969/j.issn1672-9730.2015.03.021