牵引逆变器仿真及其电磁干扰机理分析

张婧亮，沙 斐

(北京交通大学 电磁兼容实验室，北京 100044)

在动车组牵引系统中，多采用交直交的变流方式进行供电。整流器把交流电转变为直流电，逆变器再将直流电转变为频率和幅度可调的交流电，供给牵引电动机，保证列车的运行。逆变器作为现代牵引系统中的一个重要部分，其特性将直接影响列车运行的最后效果。好的逆变器可以提高电网的经济效益，减少列车周围环境的电磁污染。牵引逆变器作为一个大功率的变流设备，中间又存在高频率的开关器件，其产生的电磁骚扰是不可以忽略的。本文在仿真的基础上，分析了牵引逆变器所产生的电磁干扰的特性。

1 原理与结构

1.1 逆变器的原理

动车组牵引逆变器属于电压型逆变器，其中，两电平三相电压型逆变器拓扑图如图1。三个相臂，分别对应U、V、W三相。每一个相臂的上下桥臂交替导通，导通相位相差180o。以U相为例，开关管VT1和VT4交替导通，输出电压幅度为±Ud/2的矩形波uun。其他两相V、W与U相相比，相位依次相差了120o。如果U、V、W三相接星形连接负载，其连接中点为n1[1]，那么根据

图1 两电平三相电压型逆变器拓扑图

可以得到，un1u=uun+uvn+uwn/3。从而可以求出输出的相电压和线电压。如果用g1-g6分表示VT1到VT6的控制信号，可以得到各波形如图2。

图2 控制信号，桥臂相电压，输出相、线电压波形

1.2 PWM脉宽调制

由上文可知，开关信号波形可以决定相电压的输出波形。PWM脉宽调制的原理在于，用有相同的等效面积的矩形波来代替正弦波控制开关信号进行输出，由此在负载处得到直接使用正弦波信号源的效果。本文采用SPWM调制方式，SPWM信号通过一个三角载波uc和一个调制信号uc比较产生。当us大于uc时，输出正的矩形波，反之为负。Uus/Uuc=m称为调制深度，当载波频率远高于调制波频率时，逆变输出的电压基波幅值为m倍的直流电压的幅值。p=fc/fs称为载波比，通常情况下，载波比越高越好。对三相逆变器来说，为了保证三相之间的相位差，载波比应该为3的倍数，同时为保证双极性调制时波形的正负半周对称，载波比必须为奇数。图3为SPWM信号形成原理。

图3 载波信号和调制波，载波比为15，调制深度为0.7

2 仿真模型的建立

基于逆变器的原理，我们在Simulink中搭建了仿真模型。

2.1 两电平三相电压逆变器主电路模型

选择IGBT作为开关管，导通电压vf设置为0.8 V，缓冲电路的电阻设置为10Ω，其他默认[2]。直流电源设置为3 kV，为保证电压的平衡，电压源并联2个1250 uF电容。电机模型用三相负载代替，设置为星型浮动连接，额定线电压3000V，额定功率1300 kW，感性无功功率100 kW，容性无功功率0。整个逆变器的模型结构如图4。

图4 主电路仿真电路图

2.2 SPWM信号的产生

正弦信号源产生的三相交流信号作为调制波，波形发生器产生的三角波作为载波。fs=60 Hz，调制深度m =0.7，载波比为p=15。其电路如图5。

3 仿真结果及其电磁兼容性分析

3.1 仿真结果

不考虑电路中存在的杂散电容、电感，死区时间，对地寄生电容等条件，选择离散仿真模式，仿真步长为6e-7s，算法为ode45，仿真时间0.5s，得到的逆变器的输出波形如图6。

3.2 逆变器电磁兼容性分析

3.2.1 高次谐波

图5 PWM信号发生器仿真电路图

图6 各开关管的控制信号、交流侧线电压、相电压、线电流、直流侧电流3.2 逆变器电磁兼容性分析

由于采用的是矩形波与正弦波面积等效的原理来控制负载侧的电动机，那么由于矩形波本身的特性，以及开关管的高频切换特性，都会在输出侧产生高次谐波。本文讨论中采用的是三相对称负载，那么3倍频的偶次谐波都会被消掉。

在3 000 Hz以内，谐波主要集中在660 Hz、780 Hz、1 020 Hz、1 140 Hz等处。对线电压的仿真结果进行傅里叶变换可以得到线电压在频谱上的波形如图7。从图中可知，最主要的谐波是关于30倍频对称的29、31次谐波，关于15倍频对称的13、17次谐波。而关于45倍频对称的41、43、47、49次谐波也较为明显。谐波主要集中在载波的频率倍数附近，分布具有族簇特性。谐波的幅值较高，频率也高，谐波本身会影响感应电动机，降低其功率因数，加大了消耗。同时高次谐波电路中流通，对于逆变器的共模干扰和差模干扰都将产生影响。逆变器为大功率设备，其中流通的电流数值也较高，谐波在电流回路中产生的磁场，可能也会耦合到控制电路中影响逆变器的效率。为了消除这种谐波的影响，可以在输出回路中接入低通滤波器，滤除谐波。

3.2.2 死区时间

实际上，IGBT并不是理想的开关器件，因此每相臂的上下桥臂的通断不能瞬间进行，IGBT本身具有关断时间和拖尾时间。在一个桥臂的IGBT没有完全关断的时候，相对的桥臂不能开通，于是在上下桥臂的控制信号之间需要加入一个延时装置。仿真所选的IGBT的关断时间为1μs，拖尾时间为2μs。因此取死区时间为9μs，在电路中加入Discrete On/Off Delay模块，设置为上升沿延迟模式，得到并分析线电压的仿真结果。在加入了死区时间之后，基波的幅值降低，THD升高，并且出现了较为明显的低频谐波。例如900 Hz时的谐波。图8为未加入死区时间和加入死区时间的相电压的频谱图，绿色线条表示加入死区时间的结果，同样可以看出，加入死区时间之后，原本一些不明显的谐波的幅值也增大了。

图7 线电压的频谱图

图8 加入死区时间与未加入死区时间频谱对比

3.2.3 引入共模骚扰

图9 流经cp的共模电流时间曲线和频谱

传导共模骚扰主要是由功率开关管开关动作引起的du/dt，及其对地的寄生电容所引起的。这个寄生电容目前不可测量，但是已有文献得出其值为pF级别，假设取寄生电容cp为900pF，在U、V、W三相中均引入电容cp，并与地连接。仿真得到通过cp的其中一项的共模电流如图9。经过对于输出相、线电压的分析，发现共模EMI对于输出电压的影响基本可以忽略。其对于输出线电流有一定的影响，仿真中得出的结论为其使电流的THD上升了0.01%，电流的基波幅值则不发生变化。说明共模EMI对于负载的影响可以较小，不一定会对电动机的实际运行造成影响。不过在实际应用中，最好还是滤除掉共模电流，以免影响电动机的使用寿命。

4 结束语

通过仿真可以得知PWM逆变器的工作特性。从PWM逆变器的工作原理上，我们可以进行逆变器的电磁兼容性的分析，有利于从根源上找到逆变器产生电磁干扰的原因并加以解决。本文只是通过仿真分析了影响逆变器电磁兼容性的一部分因素，包括电压的谐波和电流的干扰2方面的内容，从而得出可能的解决问题的方法。

[1]B.Laska（德）.IGBT牵引变流器的发展[J]. 变流技术与电力牵引，2004（5）.

[2]张德丰. MATLABSimulink建模与仿真[M]. 北京：电子工业出版社，2009.