基于二端口网络理论的航空起动/发电机宽频阻抗建模方法

基于二端口网络理论的航空起动/发电机宽频阻抗模型

研究背景

随着多电飞机技术的迅猛发展，大容量航空起动/发电系统逐渐成为未来多电飞机电源系统的重要发展趋势。具有起动功率大、高瞬态电流冲击特点的航空起动/发电系统面临着严重的电磁干扰（EMI）问题。起动/发电机作为系统传导EMI的重要传输路径，建立其阻抗模型是分析系统EMI传输机理的关键。针对三级式结构的起动/发电机的特殊励磁方式，若仅考虑定子阻抗模型，还不能够全面反映其阻抗耦合特性，故建立综合考虑定/转子阻抗耦合效应的电机阻抗模型是深入分析航空起动/发电系统电磁兼容性能的重要途径。本期的内容重点介绍了基于二端口网络理论的航空起动/发电机宽频阻抗建模方法。

成果简介

针对传统的电机高频阻抗模型只考虑定子绕组的问题，依据电机的差模和共模EMI传输特点，探索采用多端口网络“黑盒”思路研究电机的阻抗建模方案，确立了基于Z参数矩阵的阻抗描述方法电机阻抗测量方案，实现了定/转子绕组高频阻抗的有效关联，分析电机定/转子阻抗耦合程度的定量评价方法。在此基础上，提出了两种高频等效电路模型，即全频域 T 型等效电路模型和基于误差评估的宽频等效电路模型，前者从 Z 参数矩阵和 T 型等效电路的对应关系出发，而后者利用电机定/转子阻抗的耦合程度对其做进一步的合理简化。

亮点提炼

按照差模阻抗和共模阻抗传输路径的不同，起动/发电系统的主电机和励磁机均可等效为一个二端口网络，并通过Z参数矩阵来表示其阻抗特性，从而实现了定/转子绕组高频阻抗的有效关联。

图1 多电飞机起动/发电系统EMI耦合路径

图2 主电机差模阻抗ZMD的参数提取

借助电机阻抗二端口模型，以忽略定/转子绕组间高频阻抗耦合引起的误差为参考，建立了电机定/转子绕组间的高频阻抗耦合度的定量评估表达式。主电机评价结果表明，电机定/转子耦合主要影响100kHz以下的差模阻抗，而对于共模阻抗和高频差模阻抗的影响较为有限。  

图3 主电机因忽略定/转子绕组耦合引起的电机阻抗误差曲线

提出了两种高频等效电路模型，即全频域T 型等效电路模型和基于误差评估的宽频等效电路模型。基于误差评估的宽频等效电路模型从定/转子绕组的阻抗耦合度评估结果出发，采用高/低频混合的思想重点考虑定/转子耦合严重的差模阻抗，该方法亦为进一步考虑转子位置及磁路饱和的影响留有接口。相比于全频域 T 型等效电路模型，基于误差评估的宽频等效电路模型可以兼顾模型精度、仿真效率及定/转子绕组间的阻抗耦合效应。

图4 阻抗ZMD11的实验结果和模型结果对比

前景与应用 

建立计及定子阻抗、转子阻抗及定/转子耦合效应的宽频集总参数通用模型可为起动/发电机阻抗耦合特性分析提供有力的工具，该项技术有望为多电飞机复杂机载电气系统的电磁兼容性设计及EMI抑制提供有益参考。

完成人与研究团队介绍

申科，西北工业大学自动化学院副教授、硕导，长期从事电力电子变换器及控制、电力电子系统电磁兼容，以及多/全电飞机电力电子技术等方向的研究。主持国家自然科学基金项目2项，省部级纵向项目4项，参与中央军委科技委项目、工信部民机预研专项等国家级纵向项目多项。在本领域有影响力的期刊和会议发表SCI/EI论文40余篇，担任多个国际顶级期刊的审稿人。目前为中国电工技术学会高级会员，IEEE会员，IEEE PES 中国区储能技术委员会储能并网与运行技术分委会理事，自动化学院电气工程系党支部书记，西北工业大学稀土永磁电机及控制技术研究所骨干成员。获得《中国电机工程学报》期刊2022年度优秀审稿专家、2019-2021年西北工业大学本科生优秀毕业论文指导教师等荣誉称号。

西北工业大学稀土永磁电机及控制技术研究所成立于1991年，先后成功研制了我国第一台航空稀土永磁发电机并在无人机领域得到应用，发明自启动稀土永磁同步电动机并实现产业化，开创了我国航空稀土永磁电机研究领域的先河，研究所有力支撑了飞机电推进技术工业和信息化部重点实验室、航空航天电机系统技术教育部工程研究中心等多个省部级科研平台建设。团队面向航空航天航海、高端设备、新能源等国家重大战略需求，近五年参与型号任务、国家专项、国家自然科学基金重点项目等重点科研项目100余项，研究成果在多项国家重大工程中得到应用，曾获国家科技进步特等奖、国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖等殊荣。

编辑：黄飞