地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)共模傳導(dǎo)干擾全電路模型分析

王雷,葛研軍 ,李常賢 ,孫燕楠

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028; 2.大連交通大學(xué) 軌道交通裝備國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,遼寧 大連 116028; 3.大連交通大學(xué) 機(jī)車(chē)車(chē)輛工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)和空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)被廣泛運(yùn)用到三相逆變系統(tǒng)中[1-2]。由于逆變系統(tǒng)開(kāi)關(guān)器件(如IGCT、IGBT、MOSFET等)的生產(chǎn)材料不斷更新,開(kāi)關(guān)頻率不斷提高,大大提升了開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程[3-4]。開(kāi)關(guān)器件長(zhǎng)期工作在大電流、高電壓的工況下,形成較大的電壓、電流變化率,產(chǎn)生豐富的高次諧波成分[5-7],在逆變系統(tǒng)各結(jié)構(gòu)部件高頻參數(shù)的作用下,出現(xiàn)嚴(yán)重的共模傳導(dǎo)干擾。共模傳導(dǎo)干擾不但影響負(fù)載電機(jī)的正常工作,減少其使用壽命,而且給系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的影響。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)電力電子系統(tǒng)共模傳導(dǎo)干擾的研究主要集中在開(kāi)關(guān)電源、BUCK電路、單相PWM變頻器、電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制系統(tǒng)等[8-11]。對(duì)動(dòng)車(chē)組、地鐵等大功率逆變系統(tǒng)研究相對(duì)較少。Revol等[12]通過(guò)構(gòu)建共模傳導(dǎo)干擾等效模型,對(duì)逆變器進(jìn)行建模及仿真預(yù)測(cè)。李廣卓[13]通過(guò)對(duì)共模傳導(dǎo)干擾的干擾源和耦合路徑的分析建立共模傳導(dǎo)干擾等效模型,通過(guò)仿真頻譜與實(shí)測(cè)頻譜對(duì)比來(lái)驗(yàn)證等效電路模型的有效性。許珂等[14]主要對(duì)逆變器共模干擾源進(jìn)行建模,分析了3種共模干擾路徑,通過(guò)對(duì)共模傳導(dǎo)干擾模型進(jìn)行仿真和試驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)證所提出方法的有效性。目前針對(duì)逆變系統(tǒng)共模傳導(dǎo)干擾的建模及仿真分析主要采用的方法是構(gòu)建逆變系統(tǒng)共模傳導(dǎo)等效模型,進(jìn)行共模傳導(dǎo)干擾的仿真預(yù)測(cè),這種方法的特點(diǎn)是能夠發(fā)現(xiàn)逆變系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)對(duì)共模傳導(dǎo)干擾的影響,但是在建模過(guò)程中容易忽略一些重要部件的高頻影響[15]。

本文以額定功率190 kW逆變器構(gòu)成的地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)作為研究對(duì)象,根據(jù)共模傳導(dǎo)干擾的機(jī)理搭建地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)全電路模型,通過(guò)Ansys Q3D軟件及阻抗分析儀提取逆變系統(tǒng)IGBT、疊層母排、動(dòng)力線纜等部件高頻參數(shù),利用Ansys Simplorer軟件對(duì)地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)共模傳導(dǎo)干擾進(jìn)行仿真預(yù)測(cè),將仿真預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證全電路模型的有效性和準(zhǔn)確性。

1 逆變系統(tǒng)共模傳導(dǎo)干擾機(jī)理研究

本文以額定功率190 kW逆變器構(gòu)成的地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)作為研究對(duì)象。地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)由兩個(gè)對(duì)稱的逆變功率模塊組成,功率模塊結(jié)構(gòu)及電氣原理圖見(jiàn)圖1、圖2。功率模塊直流輸入電壓為1 500 V,直流側(cè)濾波環(huán)節(jié)采用5 mH電抗器與4 300 uF支撐電容組成,電抗器與支撐電容構(gòu)成二階低通濾波器,能有效抑制高頻干擾進(jìn)入逆變器主電路。其中VT1～VT8表示8個(gè)IGBT,開(kāi)關(guān)頻率為750 Hz,VD1～VD8表示IGBT反向并聯(lián)二極管,C2～C5為突波電容,其作用是減小IGBT關(guān)斷過(guò)程中過(guò)電壓的幅值。Z為阻感性負(fù)載,A、B、C為三相橋臂中點(diǎn),O為負(fù)載電機(jī)中性點(diǎn)。

圖1 逆變功率模塊結(jié)構(gòu)圖

圖2 逆變功率模塊電氣原理圖

1.1 共模傳導(dǎo)干擾源分析

地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)共模傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生機(jī)理與功率開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)有密切關(guān)系。圖3所示為本文所用英飛凌FZ1000R33HE3型號(hào)IGBT漏源極兩端實(shí)測(cè)電壓波形?？芍蓴_源主要由兩部分組成:一部分是由功率開(kāi)關(guān)上升沿和下降沿電壓變化率(dv/dt)引起,這與功率開(kāi)關(guān)本身特性相關(guān);另一部分是由振蕩波形所引起,這與功率開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中端口間寄生電容、回路中雜散電感等因素相關(guān)。研究表明,在高頻范圍內(nèi)振蕩波形產(chǎn)生的干擾信號(hào)所占比重較小,開(kāi)關(guān)器件上升沿和下降沿的電壓變化率是共模傳導(dǎo)干擾的主要干擾源[16]。

圖3 IGBT漏源極兩端實(shí)測(cè)電壓波形

功率開(kāi)關(guān)IGBT漏源極兩端的電壓理論上是方波,但實(shí)際是梯形波,其示意圖見(jiàn)圖4。圖中直流側(cè)的電壓為VDC,梯形波的周期為T(mén),梯形波的上升時(shí)間和下降時(shí)間分別用tr、tf表示,并且tr和tf相等。IGBT的開(kāi)通時(shí)間為ton,梯形波的頻率f0=1/T,占空比d=ton/T,n為諧波次數(shù),梯形波經(jīng)過(guò)傅里葉變換可以得到其幅頻特性,電壓幅值為[17]:

圖4 開(kāi)關(guān)器件梯形波示意圖

(1)

在開(kāi)關(guān)頻率、占空比等參數(shù)不變的情況下,直流側(cè)電壓幅值越大,梯形波的上升和下降時(shí)間越短,產(chǎn)生的電磁干擾越強(qiáng)烈。逆變器的干擾源除了IGBT外,控制模塊驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的電磁干擾也是干擾源之一,但是其幅值要小得多。因此功率開(kāi)關(guān)工作過(guò)程中產(chǎn)生的電壓變化率是地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)的主要干擾源。

1.2 共模傳導(dǎo)干擾耦合路徑分析

地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)共模電流是由橋臂中點(diǎn)電壓變化率(dv/dt)與系統(tǒng)部件對(duì)地寄生電容相互作用產(chǎn)生。

系統(tǒng)部件對(duì)地寄生電容主要由IGBT對(duì)散熱器的寄生電容、三相交流輸出動(dòng)力線纜對(duì)機(jī)殼的寄生電容、電機(jī)繞組對(duì)機(jī)殼的寄生電容組成。由此分析共模傳導(dǎo)干擾的耦合路徑見(jiàn)圖5中虛線所示,其中Ccon為橋臂中點(diǎn)對(duì)散熱器的寄生電容,Cp為三相輸出動(dòng)力線纜對(duì)地寄生電容,Cm為電機(jī)繞組對(duì)電機(jī)外殼的寄生電容。主要耦合路徑為:① IGBT→Ccon→公共地→直流側(cè)線纜→逆變器。② IGBT→交流側(cè)線纜→Cp→公共地→直流側(cè)線纜→逆變器。③ IGBT→交流側(cè)線纜→電機(jī)繞組→Cm→公共地→直流側(cè)線纜→逆變器。路徑上流經(jīng)的共模電流加載在三相輸出線纜上,通過(guò)天線效應(yīng)對(duì)外輻射。

圖5 共模傳導(dǎo)干擾的耦合路徑

2 共模傳導(dǎo)干擾全電路模型構(gòu)建

2.1 銅排、疊層母排及線纜高頻參數(shù)的提取

地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)作為大功率的傳動(dòng)系統(tǒng),工作在高電壓、大電流的工況下。工程上常用疊層母排和銅排作為連接導(dǎo)體。在150 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi),疊層母排和銅排自身的高頻阻抗參數(shù)對(duì)整個(gè)逆變系統(tǒng)干擾回路共模阻抗有一定的影響,不可忽略,因此需要提取疊層母排和銅排的高頻阻抗參數(shù)。銅排的電感由內(nèi)電感和外電感兩部分組成,其中內(nèi)電感是由銅排導(dǎo)體層內(nèi)部的漏磁通產(chǎn)生,與流過(guò)導(dǎo)體層電流的頻率有關(guān)。外電感主要與銅排的物理結(jié)構(gòu)相關(guān),與流過(guò)電流的頻率無(wú)關(guān)。

其內(nèi)電感和外電感的表達(dá)式見(jiàn)式(2)、式(3)[18]:

(2)

(3)

式中:Lout為銅排外電感;l為銅排長(zhǎng)度;h為銅排厚度;d為通流導(dǎo)體間距;μr為相對(duì)磁導(dǎo)率;μ0為真空磁導(dǎo)率;Δk和Δe為修正系數(shù),受母排幾何結(jié)構(gòu)影響。

疊層母排交流電感由正負(fù)銅排自感Ls和正負(fù)銅排之間互感M組成。疊層母排自感Ls、互感M的表達(dá)式見(jiàn)式(4)、式(5)[19]:

Ls=Lin+Lout

(4)

(5)

銅排和疊層母排交流電阻R的近似表達(dá)式為:

(6)

式中:ρ為導(dǎo)體電阻率;L為導(dǎo)線長(zhǎng)度;D為導(dǎo)線直徑。

本文采用Ansys Q3D軟件在準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)下通過(guò)有限元法提取銅排和疊層母排高頻參數(shù)。根據(jù)電流或功率流向及端口實(shí)際電流接觸面設(shè)置網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)源“sink”、“source”并設(shè)置掃頻范圍為10 kHz～30 MHz,掃頻步長(zhǎng)為10 kHz,共設(shè)置3 000個(gè)掃描點(diǎn),上述步驟完成后,對(duì)模型的有效性進(jìn)行自動(dòng)驗(yàn)證并仿真提取參數(shù)。圖6為輸出側(cè)銅排交流電阻、交流電感幅頻特性仿真結(jié)果,圖7為疊層母排交流電阻、交流電感幅頻特性仿真結(jié)果。

圖6 銅排交流電阻、交流電感幅頻特性仿真結(jié)果

圖7 疊層母排交流電阻、交流電感幅頻特性仿真結(jié)果

功率模塊外側(cè)主要是供電線纜,低頻條件下一段不長(zhǎng)的供電線纜可視為理想傳輸線纜,但是共模傳導(dǎo)的頻率范圍較寬,因此供電線纜不可視為理想傳輸線,傳輸線上的雜散參數(shù)不可忽略。本文利用Ansys Q3D軟件提取逆變器和牽引電機(jī)之間線纜的高頻等效參數(shù)。功率模塊外側(cè)U相輸出線纜交流電阻和交流電感仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 U相輸出線纜交流電阻、交流電感幅頻特性仿真結(jié)果

2.2 寄生電容的提取

地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)功率模塊散熱器與機(jī)殼相連,接入大地。散熱器作為共模傳導(dǎo)干擾回路的重要組成部分,與其他結(jié)構(gòu)部件之間的寄生電容,是影響逆變系統(tǒng)共模傳導(dǎo)干擾的重要因素。本文利用Ansys Q3D軟件對(duì)逆變系統(tǒng)功率模塊、疊層母排、散熱器等各結(jié)構(gòu)部件之間寄生電容進(jìn)行仿真,其電容仿真值見(jiàn)表1。

表1 各結(jié)構(gòu)件之間電容仿真值

三相逆變橋臂中點(diǎn)對(duì)散熱器之間存在不可忽略的寄生電容。當(dāng)功率器件進(jìn)行高頻通斷響應(yīng)時(shí),橋臂中點(diǎn)對(duì)地形成較大的電壓變化率,不斷對(duì)寄生電容進(jìn)行充放電,形成共模干擾電流。橋臂中點(diǎn)對(duì)地寄生電容為:

(7)

式中:εr為功率開(kāi)關(guān)IGBT與散熱器絕緣層之間相對(duì)介電常數(shù);A為散熱器的面積;h為絕緣層的厚度。

本文中IGBT集電極與散熱器之間的寄生電容通過(guò)阻抗分析儀進(jìn)行提取,得到電容值約為867 pF。

2.3 全電路等效模型的構(gòu)建

根據(jù)地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)的電氣原理,結(jié)合結(jié)構(gòu)部件的高頻特性搭建如圖9所示的全電路模型。全電路模型主要由以下幾部分組成:① 直流輸入側(cè)(主要由直流電源、直流側(cè)銅排、線纜、電抗器及支撐電容組成);② 功率模塊(主要由疊層母排、逆變電路、散熱器等結(jié)構(gòu)部件組成);③ 功率模塊外側(cè)(主要由三相輸出線纜和負(fù)載電機(jī)組成)。

圖9 地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)全電路模型

3 仿真與測(cè)試驗(yàn)證

3.1 共模傳導(dǎo)電磁干擾測(cè)試方法

地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾的測(cè)試總體框圖見(jiàn)圖10。按照標(biāo)準(zhǔn)EN 55022:2010傳導(dǎo)發(fā)射(交流電源端口)測(cè)試的相關(guān)要求,采用一塊2 m×1 m鋁板作為參考地,將LISN(線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò))放置鋁板上,地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)的散熱器與大地相連。LISN的簡(jiǎn)化電路圖見(jiàn)圖11,LISN在測(cè)試中的作用為:150 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)提供50 Ω恒定的阻抗,為待測(cè)設(shè)備提供傳導(dǎo)干擾通道;LISN中的LC低通濾波器阻止來(lái)自電源的干擾影響待測(cè)設(shè)備。傳導(dǎo)干擾共模電壓的測(cè)試通過(guò)測(cè)量LISN中50 Ω兩端的噪聲電壓V1、V2獲得,共模電壓為:

圖10 傳導(dǎo)干擾測(cè)試總體框圖

圖11 LISN簡(jiǎn)化電路圖

VCM=(V1+V2)/2

(8)

由于地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)功率較大,測(cè)試中所需的LISN需要訂制,訂制LISN的成本高、周期長(zhǎng)。本文為了測(cè)試方便并降低成本,采用電流測(cè)試法,將直流輸入側(cè)正負(fù)動(dòng)力線纜同時(shí)穿過(guò)電流探頭。由于差模電流大小相等,方向相反,差模電流的影響互相抵消,電流探頭測(cè)量的值為共模電流的大小ICM。共模電流與共模電壓的關(guān)系為:

VCM=25ICM

(9)

3.2 仿真與測(cè)試驗(yàn)證

地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)共模干擾仿真分析是在一個(gè)較寬的頻率范圍進(jìn)行的,單一的頻點(diǎn)下對(duì)逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行仿真提取建模,會(huì)造成整個(gè)逆變系統(tǒng)共模傳導(dǎo)干擾仿真結(jié)果無(wú)法較好地反映系統(tǒng)寬頻特性,在提取完逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件3 000個(gè)掃描點(diǎn)后,使用狀態(tài)空間電路模型對(duì)各頻點(diǎn)寄生參數(shù)進(jìn)行全局?jǐn)M合,通過(guò)Ansys Simplorer中的Add State Space命令,采用RLC等效形式,將各頻點(diǎn)的寄生參數(shù)仿真結(jié)果等效為狀態(tài)空間電路模型,功率模塊IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由Ansys Simplorer自帶的PWM模塊進(jìn)行控制。為了驗(yàn)證圖9所示全電路模型正確性,本文利用Ansys Simplorer對(duì)全電路模型進(jìn)行建模仿真。根據(jù)共模傳導(dǎo)干擾耦合路徑相關(guān)理論分析,本文在仿真過(guò)程中通過(guò)測(cè)量直流輸入測(cè)負(fù)極和地之間電容Ccm流過(guò)的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)共模電流的仿真提取。仿真中的頻域結(jié)果通過(guò)Origin軟件進(jìn)行FFT變換獲得,為了滿足傅里葉變換的精度要求,仿真和試驗(yàn)測(cè)試的采樣頻率都設(shè)置為500 MHz。

共模電流仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖12,共模傳導(dǎo)干擾仿真頻譜與試驗(yàn)測(cè)試頻譜見(jiàn)圖13。由圖13可知,共模傳導(dǎo)干擾的主要能量集中在1 MHz以下的低頻段, 1～30 MHz范圍內(nèi)共模干擾衰減較快,因此抑制低頻段共模傳導(dǎo)干擾有助于改善地鐵逆變系統(tǒng)電磁兼容特性。在150 kHz～3 MHz頻率范圍內(nèi),試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真預(yù)測(cè)結(jié)果匹配度很高,誤差很小,在3～30 MHz范圍內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和仿真預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)了大約8 dB的誤差,產(chǎn)生誤差的原因?yàn)?

(a) 仿真結(jié)果

(a) 仿真頻譜

(1)并網(wǎng)試驗(yàn)。在進(jìn)行共模傳導(dǎo)干擾試驗(yàn)過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)還有其他的設(shè)備正在運(yùn)行工作,其產(chǎn)生的干擾影響測(cè)試結(jié)果;同時(shí)由于各個(gè)設(shè)備共地,其他設(shè)備的干擾很容易耦合到被測(cè)設(shè)備上。

(2)臺(tái)架的布線。由于接地線纜較長(zhǎng),接地線纜與逆變器三相輸出線纜之間相互交錯(cuò),在高頻段產(chǎn)生比較復(fù)雜的耦合關(guān)系。

(3)電流傳感器轉(zhuǎn)移阻抗的影響。本文測(cè)試所用的電流傳感器為HVPD HFCT高頻電流傳感器,測(cè)試頻帶寬度為100 kHz～150 MHz ,在高頻段必須考慮轉(zhuǎn)移阻抗的影響并進(jìn)行補(bǔ)償,在實(shí)際工程中難以對(duì)電流探頭進(jìn)行有效的校準(zhǔn),同時(shí)在高頻段電流探頭的連接線也會(huì)受到電磁干擾的影響,造成高頻段測(cè)試誤差。

4 結(jié)論

本文以190 kW逆變器構(gòu)成的地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)為研究對(duì)象,從共模傳導(dǎo)干擾的干擾源和耦合路徑兩個(gè)角度對(duì)地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)共模傳導(dǎo)干擾的機(jī)理進(jìn)行研究,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量及Ansys Q3D軟件提取地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件的高頻參數(shù),從而搭建全電路模型。利用Ansys Simplorer軟件對(duì)全電路模型進(jìn)行仿真分析,在150 kHz～3 MHz范圍內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和仿真預(yù)測(cè)結(jié)果匹配度很高,誤差很小;在3～30 MHz范圍內(nèi)由于并網(wǎng)試驗(yàn)、臺(tái)架布線、測(cè)試傳感器轉(zhuǎn)移阻抗等因素的影響,出現(xiàn)大約8 dB誤差,證明了本文搭建的全電路模型預(yù)測(cè)方法的準(zhǔn)確性。該方法可作為預(yù)測(cè)三相地鐵車(chē)輛逆變系統(tǒng)共模傳導(dǎo)干擾的一種可行性方案。