地鐵車輛逆變系統共模傳導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 機械工程學院,遼寧 大連 116028; 2.大連交通大學 軌道交通裝備國家地方聯合工程研究中心,遼寧 大連 116028; 3.大連交通大學 機車車輛工程學院,遼寧 大連 116028)

隨著電力電子技術的快速發展,正弦脈沖寬度調制(SPWM)和空間矢量脈寬調制(SVPWM)被廣泛運用到三相逆變系統中[1-2]。由于逆變系統開關器件(如IGCT、IGBT、MOSFET等)的生產材料不斷更新,開關頻率不斷提高,大大提升了開關器件的動態響應過程[3-4]。開關器件長期工作在大電流、高電壓的工況下,形成較大的電壓、電流變化率,產生豐富的高次諧波成分[5-7],在逆變系統各結構部件高頻參數的作用下,出現嚴重的共模傳導干擾。共模傳導干擾不但影響負載電機的正常工作,減少其使用壽命,而且給系統的安全可靠運行帶來嚴重的影響。

現有文獻對電力電子系統共模傳導干擾的研究主要集中在開關電源、BUCK電路、單相PWM變頻器、電動汽車電機控制系統等[8-11]。對動車組、地鐵等大功率逆變系統研究相對較少。Revol等[12]通過構建共模傳導干擾等效模型,對逆變器進行建模及仿真預測。李廣卓[13]通過對共模傳導干擾的干擾源和耦合路徑的分析建立共模傳導干擾等效模型,通過仿真頻譜與實測頻譜對比來驗證等效電路模型的有效性。許珂等[14]主要對逆變器共模干擾源進行建模,分析了3種共模干擾路徑,通過對共模傳導干擾模型進行仿真和試驗測試,驗證所提出方法的有效性。目前針對逆變系統共模傳導干擾的建模及仿真分析主要采用的方法是構建逆變系統共模傳導等效模型,進行共模傳導干擾的仿真預測,這種方法的特點是能夠發現逆變系統中關鍵參數對共模傳導干擾的影響,但是在建模過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逆變器構成的地鐵車輛逆變系統作為研究對象,根據共模傳導干擾的機理搭建地鐵車輛逆變系統全電路模型,通過Ansys Q3D軟件及阻抗分析儀提取逆變系統IGBT、疊層母排、動力線纜等部件高頻參數,利用Ansys Simplorer軟件對地鐵車輛逆變系統共模傳導干擾進行仿真預測,將仿真預測結果與現場測試結果進行比較,驗證全電路模型的有效性和準確性。

1 逆變系統共模傳導干擾機理研究

本文以額定功率190 kW逆變器構成的地鐵車輛逆變系統作為研究對象。地鐵車輛逆變系統由兩個對稱的逆變功率模塊組成,功率模塊結構及電氣原理圖見圖1、圖2。功率模塊直流輸入電壓為1 500 V,直流側濾波環節采用5 mH電抗器與4 300 uF支撐電容組成,電抗器與支撐電容構成二階低通濾波器,能有效抑制高頻干擾進入逆變器主電路。其中VT1～VT8表示8個IGBT,開關頻率為750 Hz,VD1～VD8表示IGBT反向并聯二極管,C2～C5為突波電容,其作用是減小IGBT關斷過程中過電壓的幅值。Z為阻感性負載,A、B、C為三相橋臂中點,O為負載電機中性點。

圖1 逆變功率模塊結構圖

圖2 逆變功率模塊電氣原理圖

1.1 共模傳導干擾源分析

地鐵車輛逆變系統共模傳導干擾產生機理與功率開關工作狀態有密切關系。圖3所示為本文所用英飛凌FZ1000R33HE3型號IGBT漏源極兩端實測電壓波形。可知干擾源主要由兩部分組成:一部分是由功率開關上升沿和下降沿電壓變化率(dv/dt)引起,這與功率開關本身特性相關;另一部分是由振蕩波形所引起,這與功率開關工作過程中端口間寄生電容、回路中雜散電感等因素相關。研究表明,在高頻范圍內振蕩波形產生的干擾信號所占比重較小,開關器件上升沿和下降沿的電壓變化率是共模傳導干擾的主要干擾源[16]。

圖3 IGBT漏源極兩端實測電壓波形

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

圖4 開關器件梯形波示意圖

(1)

在開關頻率、占空比等參數不變的情況下,直流側電壓幅值越大,梯形波的上升和下降時間越短,產生的電磁干擾越強烈。逆變器的干擾源除了IGBT外,控制模塊驅動信號產生的電磁干擾也是干擾源之一,但是其幅值要小得多。因此功率開關工作過程中產生的電壓變化率是地鐵車輛逆變系統的主要干擾源。

1.2 共模傳導干擾耦合路徑分析

地鐵車輛逆變系統共模電流是由橋臂中點電壓變化率(dv/dt)與系統部件對地寄生電容相互作用產生。

系統部件對地寄生電容主要由IGBT對散熱器的寄生電容、三相交流輸出動力線纜對機殼的寄生電容、電機繞組對機殼的寄生電容組成。由此分析共模傳導干擾的耦合路徑見圖5中虛線所示,其中Ccon為橋臂中點對散熱器的寄生電容,Cp為三相輸出動力線纜對地寄生電容,Cm為電機繞組對電機外殼的寄生電容。主要耦合路徑為:① IGBT→Ccon→公共地→直流側線纜→逆變器。② IGBT→交流側線纜→Cp→公共地→直流側線纜→逆變器。③ IGBT→交流側線纜→電機繞組→Cm→公共地→直流側線纜→逆變器。路徑上流經的共模電流加載在三相輸出線纜上,通過天線效應對外輻射。

圖5 共模傳導干擾的耦合路徑

2 共模傳導干擾全電路模型構建

2.1 銅排、疊層母排及線纜高頻參數的提取

地鐵車輛逆變系統作為大功率的傳動系統,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體。在150 kHz～30 MHz頻率范圍內,疊層母排和銅排自身的高頻阻抗參數對整個逆變系統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。銅排的電感由內電感和外電感兩部分組成,其中內電感是由銅排導體層內部的漏磁通產生,與流過導體層電流的頻率有關。外電感主要與銅排的物理結構相關,與流過電流的頻率無關。

其內電感和外電感的表達式見式(2)、式(3)[18]:

(2)

(3)

式中:Lout為銅排外電感;l為銅排長度;h為銅排厚度;d為通流導體間距;μr為相對磁導率;μ0為真空磁導率;Δk和Δe為修正系數,受母排幾何結構影響。

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

Ls=Lin+Lout

(4)

(5)

銅排和疊層母排交流電阻R的近似表達式為:

(6)

式中:ρ為導體電阻率;L為導線長度;D為導線直徑。

本文采用Ansys Q3D軟件在準靜態電磁場下通過有限元法提取銅排和疊層母排高頻參數。根據電流或功率流向及端口實際電流接觸面設置網絡激勵源“sink”、“source”并設置掃頻范圍為10 kHz～30 MHz,掃頻步長為10 kHz,共設置3 000個掃描點,上述步驟完成后,對模型的有效性進行自動驗證并仿真提取參數。圖6為輸出側銅排交流電阻、交流電感幅頻特性仿真結果,圖7為疊層母排交流電阻、交流電感幅頻特性仿真結果。

圖6 銅排交流電阻、交流電感幅頻特性仿真結果

圖7 疊層母排交流電阻、交流電感幅頻特性仿真結果

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

圖8 U相輸出線纜交流電阻、交流電感幅頻特性仿真結果

2.2 寄生電容的提取

地鐵車輛逆變系統功率模塊散熱器與機殼相連,接入大地。散熱器作為共模傳導干擾回路的重要組成部分,與其他結構部件之間的寄生電容,是影響逆變系統共模傳導干擾的重要因素。本文利用Ansys Q3D軟件對逆變系統功率模塊、疊層母排、散熱器等各結構部件之間寄生電容進行仿真,其電容仿真值見表1。

表1 各結構件之間電容仿真值

三相逆變橋臂中點對散熱器之間存在不可忽略的寄生電容。當功率器件進行高頻通斷響應時,橋臂中點對地形成較大的電壓變化率,不斷對寄生電容進行充放電,形成共模干擾電流。橋臂中點對地寄生電容為:

(7)

式中:εr為功率開關IGBT與散熱器絕緣層之間相對介電常數;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阻抗分析儀進行提取,得到電容值約為867 pF。

2.3 全電路等效模型的構建

根據地鐵車輛逆變系統的電氣原理,結合結構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(主要由直流電源、直流側銅排、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、散熱器等結構部件組成);③ 功率模塊外側(主要由三相輸出線纜和負載電機組成)。

圖9 地鐵車輛逆變系統全電路模型

3 仿真與測試驗證

3.1 共模傳導電磁干擾測試方法

地鐵車輛逆變系統傳導干擾的測試總體框圖見圖10。按照標準EN 55022:2010傳導發射(交流電源端口)測試的相關要求,采用一塊2 m×1 m鋁板作為參考地,將LISN(線性阻抗穩定網絡)放置鋁板上,地鐵車輛逆變系統的散熱器與大地相連。LISN的簡化電路圖見圖11,LISN在測試中的作用為:150 kHz～30 MHz頻率范圍內提供50 Ω恒定的阻抗,為待測設備提供傳導干擾通道;LISN中的LC低通濾波器阻止來自電源的干擾影響待測設備。傳導干擾共模電壓的測試通過測量LISN中50 Ω兩端的噪聲電壓V1、V2獲得,共模電壓為:

圖10 傳導干擾測試總體框圖

圖11 LISN簡化電路圖

VCM=(V1+V2)/2

(8)

由于地鐵車輛逆變系統功率較大,測試中所需的LISN需要訂制,訂制LISN的成本高、周期長。本文為了測試方便并降低成本,采用電流測試法,將直流輸入側正負動力線纜同時穿過電流探頭。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,電流探頭測量的值為共模電流的大小ICM。共模電流與共模電壓的關系為:

VCM=25ICM

(9)

3.2 仿真與測試驗證

地鐵車輛逆變系統共模干擾仿真分析是在一個較寬的頻率范圍進行的,單一的頻點下對逆變系統結構部件進行仿真提取建模,會造成整個逆變系統共模傳導干擾仿真結果無法較好地反映系統寬頻特性,在提取完逆變系統結構部件3 000個掃描點后,使用狀態空間電路模型對各頻點寄生參數進行全局擬合,通過Ansys Simplorer中的Add State Space命令,采用RLC等效形式,將各頻點的寄生參數仿真結果等效為狀態空間電路模型,功率模塊IGBT的開關狀態由Ansys Simplorer自帶的PWM模塊進行控制。為了驗證圖9所示全電路模型正確性,本文利用Ansys Simplorer對全電路模型進行建模仿真。根據共模傳導干擾耦合路徑相關理論分析,本文在仿真過程中通過測量直流輸入測負極和地之間電容Ccm流過的電流來實現共模電流的仿真提取。仿真中的頻域結果通過Origin軟件進行FFT變換獲得,為了滿足傅里葉變換的精度要求,仿真和試驗測試的采樣頻率都設置為500 MHz。

共模電流仿真結果與試驗測試結果見圖12,共模傳導干擾仿真頻譜與試驗測試頻譜見圖13。由圖13可知,共模傳導干擾的主要能量集中在1 MHz以下的低頻段, 1～30 MHz范圍內共模干擾衰減較快,因此抑制低頻段共模傳導干擾有助于改善地鐵逆變系統電磁兼容特性。在150 kHz～3 MHz頻率范圍內,試驗測試結果與仿真預測結果匹配度很高,誤差很小,在3～30 MHz范圍內試驗測量結果和仿真預測結果出現了大約8 dB的誤差,產生誤差的原因為:

(a) 仿真結果

(a) 仿真頻譜

(1)并網試驗。在進行共模傳導干擾試驗過程中,現場還有其他的設備正在運行工作,其產生的干擾影響測試結果;同時由于各個設備共地,其他設備的干擾很容易耦合到被測設備上。

(2)臺架的布線。由于接地線纜較長,接地線纜與逆變器三相輸出線纜之間相互交錯,在高頻段產生比較復雜的耦合關系。

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

4 結論

本文以190 kW逆變器構成的地鐵車輛逆變系統為研究對象,從共模傳導干擾的干擾源和耦合路徑兩個角度對地鐵車輛逆變系統共模傳導干擾的機理進行研究,通過試驗測量及Ansys Q3D軟件提取地鐵車輛逆變系統結構部件的高頻參數,從而搭建全電路模型。利用Ansys Simplorer軟件對全電路模型進行仿真分析,在150 kHz～3 MHz范圍內試驗測量結果和仿真預測結果匹配度很高,誤差很小;在3～30 MHz范圍內由于并網試驗、臺架布線、測試傳感器轉移阻抗等因素的影響,出現大約8 dB誤差,證明了本文搭建的全電路模型預測方法的準確性。該方法可作為預測三相地鐵車輛逆變系統共模傳導干擾的一種可行性方案。