牽引逆變器仿真及其電磁干擾機理分析

張婧亮，沙 斐

(北京交通大學 電磁兼容實驗室，北京 100044)

在動車組牽引系統中，多采用交直交的變流方式進行供電。整流器把交流電轉變為直流電，逆變器再將直流電轉變為頻率和幅度可調的交流電，供給牽引電動機，保證列車的運行。逆變器作為現代牽引系統中的一個重要部分，其特性將直接影響列車運行的最后效果。好的逆變器可以提高電網的經濟效益，減少列車周圍環境的電磁污染。牽引逆變器作為一個大功率的變流設備，中間又存在高頻率的開關器件，其產生的電磁騷擾是不可以忽略的。本文在仿真的基礎上，分析了牽引逆變器所產生的電磁干擾的特性。

1 原理與結構

1.1 逆變器的原理

動車組牽引逆變器屬于電壓型逆變器，其中，兩電平三相電壓型逆變器拓撲圖如圖1。三個相臂，分別對應U、V、W三相。每一個相臂的上下橋臂交替導通，導通相位相差180o。以U相為例，開關管VT1和VT4交替導通，輸出電壓幅度為±Ud/2的矩形波uun。其他兩相V、W與U相相比，相位依次相差了120o。如果U、V、W三相接星形連接負載，其連接中點為n1[1]，那么根據

圖1 兩電平三相電壓型逆變器拓撲圖

可以得到，un1u=uun+uvn+uwn/3。從而可以求出輸出的相電壓和線電壓。如果用g1-g6分表示VT1到VT6的控制信號，可以得到各波形如圖2。

圖2 控制信號，橋臂相電壓，輸出相、線電壓波形

1.2 PWM脈寬調制

由上文可知，開關信號波形可以決定相電壓的輸出波形。PWM脈寬調制的原理在于，用有相同的等效面積的矩形波來代替正弦波控制開關信號進行輸出，由此在負載處得到直接使用正弦波信號源的效果。本文采用SPWM調制方式，SPWM信號通過一個三角載波uc和一個調制信號uc比較產生。當us大于uc時，輸出正的矩形波，反之為負。Uus/Uuc=m稱為調制深度，當載波頻率遠高于調制波頻率時，逆變輸出的電壓基波幅值為m倍的直流電壓的幅值。p=fc/fs稱為載波比，通常情況下，載波比越高越好。對三相逆變器來說，為了保證三相之間的相位差，載波比應該為3的倍數，同時為保證雙極性調制時波形的正負半周對稱，載波比必須為奇數。圖3為SPWM信號形成原理。

圖3 載波信號和調制波，載波比為15，調制深度為0.7

2 仿真模型的建立

基于逆變器的原理，我們在Simulink中搭建了仿真模型。

2.1 兩電平三相電壓逆變器主電路模型

選擇IGBT作為開關管，導通電壓vf設置為0.8 V，緩沖電路的電阻設置為10Ω，其他默認[2]。直流電源設置為3 kV，為保證電壓的平衡，電壓源并聯2個1250 uF電容。電機模型用三相負載代替，設置為星型浮動連接，額定線電壓3000V，額定功率1300 kW，感性無功功率100 kW，容性無功功率0。整個逆變器的模型結構如圖4。

圖4 主電路仿真電路圖

2.2 SPWM信號的產生

正弦信號源產生的三相交流信號作為調制波，波形發生器產生的三角波作為載波。fs=60 Hz，調制深度m =0.7，載波比為p=15。其電路如圖5。

3 仿真結果及其電磁兼容性分析

3.1 仿真結果

不考慮電路中存在的雜散電容、電感，死區時間，對地寄生電容等條件，選擇離散仿真模式，仿真步長為6e-7s，算法為ode45，仿真時間0.5s，得到的逆變器的輸出波形如圖6。

3.2 逆變器電磁兼容性分析

3.2.1 高次諧波

圖5 PWM信號發生器仿真電路圖

圖6 各開關管的控制信號、交流側線電壓、相電壓、線電流、直流側電流3.2 逆變器電磁兼容性分析

由于采用的是矩形波與正弦波面積等效的原理來控制負載側的電動機，那么由于矩形波本身的特性，以及開關管的高頻切換特性，都會在輸出側產生高次諧波。本文討論中采用的是三相對稱負載，那么3倍頻的偶次諧波都會被消掉。

在3 000 Hz以內，諧波主要集中在660 Hz、780 Hz、1 020 Hz、1 140 Hz等處。對線電壓的仿真結果進行傅里葉變換可以得到線電壓在頻譜上的波形如圖7。從圖中可知，最主要的諧波是關于30倍頻對稱的29、31次諧波，關于15倍頻對稱的13、17次諧波。而關于45倍頻對稱的41、43、47、49次諧波也較為明顯。諧波主要集中在載波的頻率倍數附近，分布具有族簇特性。諧波的幅值較高，頻率也高，諧波本身會影響感應電動機，降低其功率因數，加大了消耗。同時高次諧波電路中流通，對于逆變器的共模干擾和差模干擾都將產生影響。逆變器為大功率設備，其中流通的電流數值也較高，諧波在電流回路中產生的磁場，可能也會耦合到控制電路中影響逆變器的效率。為了消除這種諧波的影響，可以在輸出回路中接入低通濾波器，濾除諧波。

3.2.2 死區時間

實際上，IGBT并不是理想的開關器件，因此每相臂的上下橋臂的通斷不能瞬間進行，IGBT本身具有關斷時間和拖尾時間。在一個橋臂的IGBT沒有完全關斷的時候，相對的橋臂不能開通，于是在上下橋臂的控制信號之間需要加入一個延時裝置。仿真所選的IGBT的關斷時間為1μs，拖尾時間為2μs。因此取死區時間為9μs，在電路中加入Discrete On/Off Delay模塊，設置為上升沿延遲模式，得到并分析線電壓的仿真結果。在加入了死區時間之后，基波的幅值降低，THD升高，并且出現了較為明顯的低頻諧波。例如900 Hz時的諧波。圖8為未加入死區時間和加入死區時間的相電壓的頻譜圖，綠色線條表示加入死區時間的結果，同樣可以看出，加入死區時間之后，原本一些不明顯的諧波的幅值也增大了。

圖7 線電壓的頻譜圖

圖8 加入死區時間與未加入死區時間頻譜對比

3.2.3 引入共模騷擾

圖9 流經cp的共模電流時間曲線和頻譜

傳導共模騷擾主要是由功率開關管開關動作引起的du/dt，及其對地的寄生電容所引起的。這個寄生電容目前不可測量，但是已有文獻得出其值為pF級別，假設取寄生電容cp為900pF，在U、V、W三相中均引入電容cp，并與地連接。仿真得到通過cp的其中一項的共模電流如圖9。經過對于輸出相、線電壓的分析，發現共模EMI對于輸出電壓的影響基本可以忽略。其對于輸出線電流有一定的影響，仿真中得出的結論為其使電流的THD上升了0.01%，電流的基波幅值則不發生變化。說明共模EMI對于負載的影響可以較小，不一定會對電動機的實際運行造成影響。不過在實際應用中，最好還是濾除掉共模電流，以免影響電動機的使用壽命。

4 結束語

通過仿真可以得知PWM逆變器的工作特性。從PWM逆變器的工作原理上，我們可以進行逆變器的電磁兼容性的分析，有利于從根源上找到逆變器產生電磁干擾的原因并加以解決。本文只是通過仿真分析了影響逆變器電磁兼容性的一部分因素，包括電壓的諧波和電流的干擾2方面的內容，從而得出可能的解決問題的方法。

[1]B.Laska（德）.IGBT牽引變流器的發展[J]. 變流技術與電力牽引，2004（5）.

[2]張德豐. MATLABSimulink建模與仿真[M]. 北京：電子工業出版社，2009.