牽引變流器的EMC建模與仿真

陳蒙，李東輝，李常賢

(1.大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學 動車運用與維護工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

電磁兼容(Electromagnetic compatibility, EMC)是指設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)在共同的電磁環(huán)境中能同時執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)[1].它的含義包括兩個方面：一是設備在其所處的電磁環(huán)境中工作時，自身不會因為受到其它設備電磁騷擾而產生不允許的降級；二是自身產生的電磁騷擾不會對處于同一電磁環(huán)境中的其它設備造成不可接受的影響.電子技術的發(fā)展已經使電子設備深入到工作、生活的各個領域中，電磁兼容問題也日益成為人們關注的焦點[2]，變流器的EMC研究屬于電力電子系統(tǒng)的EMC范疇，隨著電力電子器件向著高頻化、大容量化發(fā)展，其帶來的電磁干擾(Electromagnetic interference，EMI)問題也越來越突出，電磁干擾又包含了傳導電磁干擾和輻射電磁干擾，近年來，有諸多國內外學者和科研機構對變流器系統(tǒng)的EMC建模仿真問題進行了研究，文獻[3]對逆變器系統(tǒng)的傳導電磁干擾進行了研究，建立了逆變器系統(tǒng)的簡單等效模型，分析了噪聲產生和傳播機理，并進行了實驗驗證，但模型的準確度較低，僅有幾MHz左右.文獻[4]中，通過與傳統(tǒng)的buck電路相比，得到單相逆變器的傳導電磁干擾模型，這種方法相對比較容易理解，且能保證一定的精度，但是應用到三相逆變器中有一定的困難.文獻[5]中提到通過簡化的模型來預測傳導電磁干擾，相對于通過物理模型或者通過開關動作等效解析模型建模的方法要簡便得多，仿真時間也較短，但是這種建模方法仿真準備時間較長，不適用于較大系統(tǒng)變流器的建模.與傳導干擾相比，變流器系統(tǒng)輻射干擾更為復雜，目前研究的也較少，隨著我國鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，電氣化鐵路的電磁輻射干擾問題也日益突出，牽引變流器作為軌道交通車輛的主要電磁輻射干擾源，還需進行更多的研究.

本文主要對軌道車輛牽引變流器的輻射干擾進行建模仿真，通過對牽引變流器的分析，首先對其機械結構進行了簡化，再依據各模塊不同的電磁騷擾強度和頻率，設計出了適當的輻射源模型，最后結合實測的電流電壓數據添加激勵源仿真出電磁場的輻射分布.

1 牽引變流器的電磁兼容建模

牽引變流器模型較為復雜，柜體本身及其內部包含大量細小部件和設計細節(jié)以保證它的機械性能，而對于電磁場仿真來說，這些細節(jié)并不會對仿真結果產生過大影響，且會增加網格的剖分數量[6]，導致仿真時間過長甚至是電腦崩潰無法仿真，事實上，只要簡化是合理的，所得到的仿真結果完全可以滿足我們對所求解的問題要求.牽引變流器的電磁兼容建模包含兩個方面：機械結構的簡化和輻射源模型的提取.

1.1 牽引變流器機械結構的簡化

牽引變流器模型的簡化原則是既要體現(xiàn)牽引變流器的基本特征，又能在滿足研究需要的前提下減少計算量，對復雜模型的簡化如下：

(1)牽引變流器中的非金屬結構不會影響其電磁場的分布，建模時可直接忽略;

(2)牽引變流器中插座等微小結構體，其對電磁場分布的影響在可以忽略的范圍內，會增加剖分網格的數量進而增加計算量，可直接略去;

(3)牽引變流器外殼孔洞是電磁泄露的主要途徑，建模時按照其實際的位置和大小對其保留.簡化后的牽引變流器模型如圖1.

圖1 牽引變流器簡化模型

1.2 牽引變流器輻射源模型的提取

牽引變流器的電磁騷擾主要來自開關半導體器件工作時的瞬態(tài)通斷產生的高頻諧波和線纜的對外輻射[7]，本文主要針對這兩方面進行建模仿真，由于在牽引變流器工作時，其內部線纜和器件會產生明顯的天線效應，電磁波通過介質向外輻射，因此，仿真時輻射源采用天線模型.

1.2.1 線纜的輻射模型

牽引變流器中的線纜主要有兩種：電源線和信號線.線纜產生的輻射機理也有兩種：差模輻射和共模輻射，其中，共模輻射是線纜產生電磁輻射的主要來源，建模時采用單極天線作為輻射模型，單極天線形式是只有一根金屬導體，另一根金屬導體由大地或附近的其他大型金屬物充當，它是電偶極天線的一種變形，電流對外產生的電磁輻射可認為是由若干個電偶極子共同作用的結果[8],在P點產生的輻射總場應為所有電偶極子產生輻射電場的疊加，如圖2所示，即：

(1)

圖2 線纜的輻射模型

1.2.2 開關器件的輻射模型

圖3(a)、3(b)分別為某型號牽引變流器的整流電路和逆變電路，電路由功率器件和線纜組成[9]，工作時，由于IGBT的高頻通斷，電路中存在高頻電流環(huán)路，構成電流環(huán)輻射天線，對空間形成電磁輻射，小電流環(huán)的遠區(qū)場為(η=120π(Ω))

(2)

式中，A0=πa2，為圓環(huán)面積.輻射模型如圖4.

(a)整流模塊電路原理圖

(b)逆變模塊電路原理圖

圖4 電路的輻射模型

電路區(qū)域內多環(huán)路、多干擾源，可以采用電磁學等效原理中的面等效原理來簡化輻射源，設計天線時，使環(huán)形天線面積與電路的封閉區(qū)域面積相等，又因為Maxwell方程是線性方程組，滿足疊加定理，所以讓環(huán)形天線的個數與場源的個數相等，對各個場源同時進行輻射模擬，得出的電磁場云圖就是疊加后的電磁場分布圖.

2 牽引變流器的電磁兼容仿真

本文仿真采用ANSYS公司全頻段電磁場仿真工具HFSS(High Frequency Structure Simulator).

2.1 仿真設置

(1)求解器設置

仿真選用瞬態(tài)求解器(HFSS Transient)，仿真時可直接在輻射源上添加實測或仿真得到的激勵電流或電壓來模擬瞬態(tài)電磁場的分布.

(2)材料屬性設置

牽引變流器的仿真模型被簡化之后，保留的部分主要由金屬材料組成，變流器的外殼為相對介電常數εr=1，電導率σ=3.8×107S/m的鋁制材料；頂蓋是相對磁導率μr=1，電導率σ=1.1×106S/m的不銹鋼材料；內部輻射源模型(天線模型)的材料為銅，其相對介電常數εr=1，相對磁導率μr=0.999 991.其余部分如線槽等分別按照實際情況設置材料.

(3)邊界條件設置

牽引變流器的金屬頂蓋滿足有限導體邊界條件，設為有限導體邊界；變流器的殼體排列有整齊的通風口，電磁能量將會穿過通風口向外部輻射，通風口也具有天線效應，設置成理想磁邊界條件；仿真時，在牽引變流器外圍建立一個長方體的求解域將其包圍起來，求解域的材料屬性設置為空氣，求解域的底面設置為理想導體邊界并延伸為無限大來模擬大地，為了模擬出開放的表面，求解域其余的面設為輻射邊界.

(4)激勵源設置

各輻射模型的激勵電流、電壓可通過現(xiàn)場實測或Matlab仿真得到.因為求解器選用的是瞬態(tài)求解器，所以可直接添加時域激勵波形到輻射模型上.

(5)求解精度和網格剖分

求解精度(收斂誤差)對軟件仿真結果的準確性有著直接影響，一方面，求解精度越高(收斂誤差設置的越小)，計算結果越準確.然而，另一方面，求解精度越高意味著迭代次數越多，剖分的網格就越多，仿真時間會因為計算量的增加而變長，過大的計算量甚至會導致電腦崩潰無法仿真.本次仿真采用系統(tǒng)默認誤差的1/2，設置為0.05(系統(tǒng)默認誤差為0.1)，計算機內存可滿足仿真條件，且結果符合要求.網格剖分采用HFSS的自適應網格剖分技術.網格剖分結果如圖5.

圖5 仿真模型的自適應網格剖分圖

2.2 仿真結果

本次仿真模擬牽引變流器以30%功率運行時求解域內的電磁場分布情況，在模型求解域中，每個橫截面長為9 m，寬為2.5 m，圖6為0.5 s時求解域截面上的電場分布云圖，從圖中可以看出電場分布與輻射源的位置有關，距離輻射源越近電場強度越高，在牽引變流器內部電場強度達到2.5 V/m隨著輻射源距離的增加，電場強度逐漸衰減，最終趨近于零.

圖6 求解域內截面上電場分布云圖

圖7為牽引變流器以30%額定功率運行時，在10 m處測得的電場(150～1.15 kHz)輻射發(fā)射曲線,可以看出，在830 kHz處和1.03 MHz處的值分別為52 dBμA/m和47 dBμA/m，超過了整車輻射發(fā)射的限值.把激勵源通過MATLAB進行傅里葉變換轉換成時域信號，分別對830 kHz和1.03MHz頻點的信號進行仿真.圖8為830 kHz的磁場輻射圖，從圖中可以看出最大值為5.275 5×10-4A/m，換算成對數單位為54 dBμA/m；圖9為1.03 MHz的磁場輻射圖，從圖中可以看出最大值為2.9810×10-4A/m，換算成對數單位為49 dBμA/m，仿真結果與實測出的數據基本吻合，對于預測牽引變流器的電磁輻射有一定的參考價值.

圖7 牽引變流器30%功率運行時測試波形

圖8 830 kHz的磁場輻射

圖9 1.03 MHz的磁場輻射

3 結論

系統(tǒng)級的電磁兼容是一個很復雜的問題[10]，目前還沒有針對牽引變流器系統(tǒng)進行EMC建模的統(tǒng)一方法.本文首先對變流器復雜的機械結構進行了簡化，然后針對變流器內部的主要干擾源：線纜和整流、逆變電路給出了相應的天線輻射模型，得出了以下結論：

(1)對牽引變流器的機械結構進行合理的簡化會大大提高仿真效率且對電磁場的分布造成的影響在可接受的范圍內，簡化方法具有通用性，可以用于不同型號的變流器;

(2)以往對牽引變流器EMC問題的研究多是從分析其電磁騷擾來源，如何抑制其產生的電磁干擾的角度出發(fā)，并沒有給出電磁場分布圖.本文提出了一種牽引變流器整體EMC建模仿真的方法，給出了電磁場分布云圖，仿真結果更加直觀;

(3)仿真使用HFSS自帶的瞬態(tài)求解器，時域的激勵波形可直接添加到輻射模型上，可實時掌握電磁場的分布情況;

(4)通過對變流器電磁場分布的仿真，在產品設計之初就可以對其EMC特性進行優(yōu)化.