（电力电子与电力传动专业论文）牵引变流器电磁兼容技术分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t w i t ht h et r a c t i o nc o n v e r t e ra n dc a l c u l a t i o no ft r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e mo ft h er a i l w a yi n aw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，e l e c t r i ct r a c t i o nd r i v es y s t e mo ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y p r o b l e mi sg e t t i n ga t t e n t i o n e l e c t r i cl o c o m o t i v eo fe l e c t r o m a g n e t i cp o l l u t i o no nt h ee n v i r o n m e n t a th o m ea n da b r o a dl o c o m o t i v e sa n dr o l l i n gs t o c kh a sb e e na t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c et ot h e m a n u f a c t u r i n gs e c t o r , w h i l et h et r a c t i o nc o n v e r t e ri s as e r i o u ss o u r c eo fe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ，s ot r a c t i o nc o n v e r t e rt e c h n o l o g yo fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yi se s p e c i a l l y i m p o r t a n t i n v e r t e rt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em e c h a n i s mo fh a r m o n i cg e n e r a t i o n ，h i g h - f r e q u e n c y h a r m o n i ci n t e r f e r e n c ec h a n n e l sa n dh i g hh a r m o n i ch a z a r d s p u tf o r w a r dan u m b e ro fc o m m o n l y u s e dm e a s u r e st oi n h i b i te l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，s u c ha st h ei n c r e a s ei nf i l t e r ，s h i e l d i n g , g r o u n d i n g ，i s o l a t i o na n ds oo n a n a l y s i so f i n v e r t e rp o w e r s u p p l yw h e n t h em o t o rc o m m o n - m o d e v o l t a g e ，s h a f tv o l t a g ea n db e a r i n gc u r r e n tm e c h a n i s mt os t u d yt h es h a f tv o l t a g e ，b e a r i n gc u r r e n t a n dc o m m o n - m o d ev o l t a g eo ft h ee l e c t r i c a ln a t u r eo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n p w mp u l s e s ，t h e e l e c t r i c a lv o l t a g ei nt h ed i s t r i b u t i o no fc a p a c i t a n c ec o u p l i n gc o n s t i t u t e st h ec o m m o n - m o d el o o p s y s t e m , t h u sg i v i n gr i s et om o t o rs h a f tv o l t a g ea n db e a r i n gc u r r e n t t h es i z eo ft h em a i na x i s v o l t a g e - m o d ev o l t a g ea n ds h a r i n gw i t h i nt h ev a r i o u sp a r t so ft h ee l e c t r i c a lc a p a c i t a n c eo ft h e c o u p l i n g b e a r i n gc u r r e n tm a i n l yc o m p o s e do ft h r e ek i n d so fc u r r e n t ：e d m ( e l e c t r ic d i s c h a r g em a c h i n i n g ，e d m ) c u r r e n t , d v d tc u r r e n ta n dl o o pc u r r e n t s v p w mm o d u l a t i o n s t r a t e g yu s i n gs p w mm o d u l a t i o ns t r a t e g yt h a nb yc o m m o n m o d ev o l t a g eg e n e r a t e db ye v e n s m a l l e r ；p r o p o s e dt h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e ra n dt h ep w m i n v e r t e ro u t p u tf e e d f o r w a r da c t i v e f i l t e rt os u p p r e s sc o m m o n - m o d ev o l t a g e t oe l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r y ，a n a l y s i so ff o u rt y p i c a ld e r i v a t i o no ft h el i n ec o n n e c t i n g l o o pi n d u c t a n c e ，g i v e nc h a n g e si ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fw i r e sc o n n e c t i n gd i f f e r e n tc i r c u i t i n d u c t a n c ef o r m u l a a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fat y p i c a lf o u r l o o pe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e o fs p a c e ，f r o mt h et h e o r yd e s c r i b e di nt h ed e s i g no fp o w e rc o n v e r t e ru s e dt oc o n n e c tt h e c o n d u c t o rl o o pa n dt h el o o pb e t w e e nt h et h i c k n e s so ft h ei n s u l a t i n gl a y e ri st h i n n e r , t h eb e t t e r t h r o u g ht h er a t i o n a ld i s t r i b u t i o no f t h em a i nc i r c u i t ，r e d u c i n gt h ec o n v e r t e rt ot h ec i r c u i tf o rt h e s t r a yi n d u c t a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e ，a n dc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h eo v e r - v o l t a g es w i t c h ， e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ee n e r g y ，a sw e l la st h es p r e a do fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ee n e r g y k e y w o r d s ：t r a c t i o nc o n v e r t e r ；e m i ，c o m m o nm o d ev o l t a g e ，s p a c ev o l t a g ev e c t o r 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 指导老师虢系旅弓 日期：，6 - ) 崂 饫乙北h 名尹。 戳甲 者 弘 作 一 文论 ： 倒飙 挚巨 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本文工作的创新点 三相四桥臂逆变器采用改进s v p w m 调制策略能消除逆变器输出共模电 压。四种导电回路中，圆截面同轴电缆线和扁截面叠层导电排在导体外空间 任一点产生的电磁干扰最小。为设计和安装的方便，电力电子功率变流器应 采用扁截面叠层导电排这种结构的连接回路。 学位论文作者签名：互游彦 日期：? p 7 、多、乙 ，、 矿、一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 牵引变流器电磁兼容技术的研究背景 根据电磁理论，导体中变化的电流会产生电磁场辐射，电流变化率( 频率) 越高，则辐射效率越高。因此任何依靠高频电流工作的电子设备在工作时都会 产生电场波辐射。这些电场波会对附近的敏感设备产生干扰。电磁兼容是指电 气设备在同一电磁环境中共存的一种特性，即要求在同一环境中使用的电气设 备正常工作而不能相互干扰，达到兼容的目的。更通俗的说，要求工作中的电气 设备对环境的电磁干扰值和抗干扰能力必须满足法律法规的要求，否则该电气 设备则会对其他正常工作的电气设备造成干扰或者不能在正常允许的电磁环境 中正常工作。主要以电气、电子科学理论为基础，研究并解决各类电磁污染问 题，可以说电磁兼容技术是一个正在不断发展的新型综合性学科，也是一门工 程性极强的应用技术。 目前，我国铁道牵引技术正从直流传动向交流传动转换，在交流传动电力 机车上装有大功率的牵引变流装置，这些装置中的大功率开关器件以较高的频 率进行高电压、大电流的开关转换，电压和电流的变化率一般都比较大，由此 势必会在牵引变流器输出电流中产生谐波，如果电力机车的屏蔽、接地或滤波 能力较差，就会对外产生电磁辐射污染。牵引变流器的电磁干扰包括： ( 1 ) 牵引变流器中的功率开关器件的快速开关动作会引起很高的d v d t 和 d i d t ，实际的驱动电路和主电路都存在杂散分布电容和分布电感，d v d t 会在 电容上产生很大的充电或放电电流，l n f 的电容就可以产生几到十几个安培的电 流瞬态脉冲，对电力系统产生严重的电磁干扰；d i d t 会在杂散电感上感应出电 压，在大功率驱动系统中，d i d t 可达几k a u s ，对2 k a u s 电流变化率，3 0 n h 的杂散电感就可以激励6 0 v 的电压干扰，另外，有较大d i d t 的电流环路也是 一个辐射源，将对空间产生辐射电磁场。 ( 2 ) 牵引变流器运行时产生的高频差模与共模辐射干扰会通过各种耦合通 道耦合到其它设备上，影响其它系统的正常工作。 ( 3 ) 牵引变流器产生的共模电压，与电路中的寄生电容相互作用后产生高频 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 漏电流、轴电压和轴承电流，高频漏电流对同一地上的其它设备产生干扰，由 于轴承电流放电，过高的轴电压和轴承电流对电机轴承构成严重威胁。 ( 4 ) 牵引变流器输出经长线驱动时引起的过电压问题，变流器输出的p w m 电 压信号经过长线传输至电机侧，由于反射等原因在定子侧感应出过电压，这不 仅会增加电机绕组的绝缘应力，而且使绕组和转子集电环的寿命降低。 ( 5 ) 控制系统是变流器运行的的核心，且以弱电为主，极易受到来自主电路 工作时产生的强电磁场干扰信号以及外部干扰信号的影响。另外，控制电路中 模拟信号和高速数字信号并存，一方面，快速时钟信号会产生对外差模与共模 辐射，是较强的干扰源，另一方面，时钟信号与模拟信号等又容易受到来自系 统内部和外部的各种干扰信号的影响，是主要的敏感设备，因此，控制系统的 电磁兼容性设计十分重要。 电磁兼容的基本概念 e m c ( e 1 e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) 是电磁兼容的英文简称。国际电工 委员会( i e c ) 对其的定义是“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对环境 中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。我国颁布的“电磁兼容性”国 家标准中，对电磁兼容性作了如下定义：“设备或系统在其电磁环境中能正常工 作且不对该环境中的任何事物构成不能承受的电磁干扰。简单的说，电磁兼 容是指设备在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的“共存共荣 状态，包 含两方面的含义：设备不会由于受到处于同一电磁环境中其它设备的电磁发射 导致或遭受不允许的降级；不会使同一电磁环境中其它设备( 分系统、系统) 因 受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。电路之间的电磁干扰 ( e 1 e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 简称e m i 是使设备性能下降的主要原因之一。 任何电磁干扰的形成都要具备三个基本要素：干扰源、敏感设备和耦合途径，称 为电磁干扰形成三要素，缺一不可。大家所熟知的电磁干扰源有：高压输电线 路、变压器、电力开关、高频振荡电路、气体放电灯、电焊机、电动工具的换 向器、汽车的点火装置、相控的直流电源等。设备之间的电磁干扰问题是由于 单台设备没有满足相应的电磁兼容标准，产生了较强的电磁干扰发射所至。设 备之间的干扰主要通过两个途径：一个是空间电磁波干扰的形式，另一个是通 过电源线产生干扰。 共模干扰与差模干扰”。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 共模干扰是指干扰电压在信号线及回线( 一般称为信号地线) 上的幅度相同， 这里的电压以附近任何一物体( 大地、金属机箱、参考地线板等) 为参考电位，干 扰电流回路则是在导线与参考物体构成的回路中流动，如图1 1 所示。 ； 共攥龟压 图l - 1 共模干扰电压和电流 差模干扰是指干扰电压存在于信号线及其回线( 一般称为信号地线) 之间， 干扰电流回路则是在导线与参考物体构成的回路中流动，如图1 - 2 所示。 图1 2 差模干扰电压和电流 1 2 牵引变流器电磁兼容技术研究现状 6 0 年代以来，现代电子科学技术向高频、高速、高灵敏度、高安装密度、高 集成度、高可靠性方面发展，其应用范围越来越广，渗透到了社会的每个角落，因 而发达国家在e m c 研究方面投入了大量的人力和物力。电磁兼容的研究在我国 起步较晚，发达的西方国家早在2 0 世纪8 0 年代就已经发布了对电气设备的电 磁兼容指标进行强制性认证的法令，任何电气设备必须满足相关的法律法规的 要求方可投放市场，须取得认证合格证后才允许在市场上销售。 早几年前，我国的电气产品没有对电磁兼容指标做出具体的要求，相关的法 律法规尚在制定中，国内的产品开发人员还没有把电磁兼容这一理念认识理解， 许多产品在设计、开发阶段根本没有考虑到电磁兼容这一问题，加之不了解国外 的电磁兼容相关标准，使得研发的产品不能通过国外强制性的电磁兼容测试，致 使产品不能投放国外市场。设计开发的产品需要送到境外去做电磁兼容测试，不 断地修改不断地测试，走了很多弯路，浪费了大量的人力物力，更浪费了宝贵的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 时间，甚至错失了许多商机。 随着我国加入w t o ，电磁兼容在我国得到了越来越高度的重视，我国政府制 定了较为完善的标准和相应的实施细则，从多种渠道推动国内电磁兼容检测和 研究工作，开展了各种各样的围绕着电磁兼容设计、开发、测试等方面的培训活 动，使产品的开发人员认识和领会了电磁兼容这一理论，在一定程度上推动了这 一技术的实施。 从1 9 9 7 年下半年到1 9 9 8 年底，国家环保总局在广播电视、通信、交通、 电力、公安等部门的大力配合下，在全国进行了首次电磁辐射环境污染源调查， 其中铁路被列为电磁污染的五大来源之一。调查表明，在一些电气化铁路沿线， 居民收视电视受到了不同程度的影响，一些工业设施，甚至军事设施也曾受到 干扰。 电磁环境对铁路信号系统的安全、利用率和可靠性有着重大影响。为了避 免任何轨道系统的误动作，必须保证牵引系统产生的与信号设备工作频率相同 的那部分谐波的能量比规定的允许值小。实际上，这部分能量可能是来自机车 或列车上逆变器、斩波器产生的高次谐波，也可能是来自直流牵引供电的多相 整流桥的谐波。对于由脉冲整流器向逆变器供电的交直交系统，如果取消由l 、 c 谐振电路构成的二次谐波滤波器，那么在输入电流中将出现低频分量，增大中 间回路的支撑电容器，可以使这些低频谐波分量减少。传动系统的不稳定性将 影响牵引传动系统和信号设备之间的电磁兼容性能，这种不稳定性可能反映到 接触网电流的频谱中。逆变器产生的谐波分量包括：逆变器工作状态不对称，电 机绕组出现直流偏移，因而输入电流产生具有逆变器基波频率的谐波分量：电机 相阻抗的不平衡，引起两倍基波频率的谐波分量；轮径偏差导致不同的逆变器 输出频率，使得在其输入电流中出现具有差频率的谐波分量。 牵引变电所内接通或断开主电路的断路器、隔离开关等开关电器操作频繁， 成为了二次系统的主要干扰源。断路器开断，短路电流迅速减少至零。此瞬变 电流( d i d t ) 值很大，在触头间感应出幅值很高的尖峰脉冲电压( 尖峰持续时间 几秒) ，触头间将产生电弧，电压下降。当电压下降到不能维持电弧时，电弧 熄灭；触头再次感应出电压脉冲，再次起弧。从熄弧到再次起弧的间隔时间为 微秒级。开关动作伴随着多次电弧重燃、熄灭，每次熄灭、重燃都产生尖峰脉 冲电压和高频振荡电流，其中还包含有工频及低频振荡电流。通过地网电流和 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 电感耦合对二次系统引起共模干扰电压。 电力机车主断路器等机械触头快速通断会产生干扰脉冲，这种干扰脉冲可 以耦合到相邻的平行导线上去，机械触头和平行导线的电压分别可达至l j 4 k v 和 l k v 。这些脉冲的前沿上升时间约为5 n s ，脉冲群的频谱最高达i o o m h z 。如果这 样的脉冲侵入数字电路，那么该数字电路装置内部将不可避免地受到干扰。因 此，开关电器操作是牵引变电所内微机综合自动化系统最主要和危害最大的干 扰源。 另外，还有其他的一些干扰，主要包括：浪涌式的干扰、静电放电、辐射 干扰、对电网的反作用干扰电流、电感性传导干扰、电流感应纵电动势、机车 电缆的电磁干扰、谐波负序以及牵引变电所内的电磁干扰。 1 3 牵引变流器电磁兼容标准 目前国际上权威性的电磁兼容标准有c i s p r 标准、i e c 标准、欧共体的e n 标准、德国的v d e 标准、美国的f c c 标准和军用标准m i l s t d 。我国也制订了约 5 0 多种电磁兼容标准。这些标准规定了各个频段各种类型电气电子设备的骚扰 发射限值和抗扰性限值，并规定了相应的试验方法、仪器设备和试验场地。电 力机车对环境的电磁污染引起了国内外环保界和机车车辆制造业的高度重视， 为此制定了一系列的相关标准，并将电磁兼容性检验列为判定电力机车是否可 以投入运用的重要指标之一。 ( 1 ) i e c 5 11 3 3 一电力机车车辆和电传动热力机车车辆制成后投入使用前 的试验方法 ( 2 ) 国标g b t 1 5 7 0 8 一交流电气化铁道电力机车产生的无线电辐射干扰 的测量方法的主要内容包括： 测量仪器与天线的技术指标符合g b 6 1 1 3 的有关规定。 测试环境 天线距离轨道2 0 m ，双线电气化铁路，天线距临近轨道2 0 m 。测量位置选择 在正常营区间的地势平坦地段。远离建筑物、l o k v 以下配电线路( 接触网除外) ， 周围环境电磁噪声至少比被测对象的辐射场强最大值低1 2 d b 。 测试数据包括对记录设备的要求，对记录时间的要求和测量次数的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 评估方法 在图1 3 规定的取样区间内，取8 0 时间的辐射场强作为这一次记录的样本 值e ；。 判定公式：e + 碱l i = ( e ，) i n ，s n = i = 1 图1 3 干扰场强取样 互至垒三：o 8 丁 其中k 是取决于1 3 的常数。 k 与n 关系表 ，l 是干扰场强的允许值 n89 1 0 111 2 1 3 1 41 5 k1 31 2 71 2 41 2 11 2 01 1 91 1 81 1 7 ( 3 ) e n 5 4 7 1 2 1 一铁路设施一电磁兼容性源自英国标准，该标准分以下 6 个具体部分： e n 5 0 1 2 1 l 总则 e n 5 0 1 2 1 整个铁路系统对外界的辐射 e n 5 0 1 2 1 3 1 铁道机车车辆一整车及列车 。 e n 5 0 1 2 1 - - 3 - - 2 铁道机车车辆一部件、设备 e n 5 0 1 2 1 - - 4 信号设备和电信设备的辐射和抗干扰 e n s 0 1 2 1 - 一5 地面供电设备的辐射和抗干扰 其中，e n 5 0 1 2 卜一3 1 的第6 3 条款较为详细地阐述了对机车产生的对外辐 射干扰的试验与评估方法，对测试地点、环境、评估容限都有明确的规定。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 测试地点 测量地点附近应没有树、墙、桥、隧道或车辆等，测试仪器距铁路主干线 的最小距离为3 0 m 。当无法避开接触网架线杆时，测试点应位于两架线杆之间、 轨道的对面( 若为双线，则应位于正在使用的轨道侧) 。在测试点两侧，不能有 接触网或第三轨中断，不能有变电站、变压器、分段绝缘器等；应避开包括地 下电缆、变电站等供电线路；对于铁路主干线，在测试点2 0 k m 范围内不应有其 他车辆作业，对于城铁或地铁，在2 k m 范围内不应有其他车辆作业。 如果以上条件得不到满足，则每一次测试前后都应记录环境噪声情况。 测试条件 测试应覆盖所有可能产生辐射干扰的车载系统。拖车应进行充电模式下的静 态测试，辅助系统、充电器等处于工作状态；动车则应进行静态和慢速行驶两 种工况下的测试，静态工况下辅助系统全功率工作，牵引变流器供电但不运行； 慢速工况下应避免弓网拉弧或跳弓，干线机车推荐( 5 0 + 1 0 ) k m h ，通过测量点 时至少以最大牵引力的一半牵引或制动。 测试天线距离轨道中心l o m ，以峰值测量为结果时的评估方法如下： 图卜2 中a ，b ，c 三条线分别代表机车采用不同供电制式时的容限 a = 2 5 k v a c ， b = 1 5 k v a c ，3 k v d c 和1 5 k v a c c = 7 5 0 v a c 和6 0 0 v a c 在不同带宽下侧试仪器的分辨率应满足下列要求： 9 k h z - - 15 0 k h z ：测量分辨率至少在2 0 0 h z 1 5 0 k h z 一3 0 m h z ：测量分辨率至少在l o k h z 3 0 删z 1 g h z ：测量分辨率至少在1 2 0 k h z 要重奎堡查兰婴圭! 至兰兰竺堡兰 兰! 要 图14 动态评估标准 图1 5 静态评估标准 1 4 选题依据与本文主要研究内容 现有文献对电力电子设备的e m i 研究较多集中在开关电源，这是因为开关 电源与p 喇变流器相比，功率开关管要少得多，控制电路也相对简单，e m i 产生 的源和传播途径相对明确，而p w m 变流器的研究的主要出发点是保护电机，对 于变流器e m i 的干扰机理、传播途径、如何达到电磁兼容标准等方面的研究尚 嫌不足。 由于p w l a 变流器功率开关管的快速通断造成的e m i 相当大，对p w m 逆变器 传导e m i 进行研究就显得很有必要。变流器的传导e m i 除了要考虑电力电子开 关作用外，还要考虑较为复杂的电缆寄生参数、变流器的寄生参数等因素，使 得e m i 的干扰非常复杂，尤其对共模传导e m i 更是如此。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 此外，对变流器e m c 的研究国内大多是研究如何使已存在的e m i 不对其它设 备造成干扰，很少有从e m i 产生的根源入手消除e m i 。牵引变流器产生e m i 的根源 是由一系列的p w m 脉冲波，怎样使p w m 脉冲波产生的e m i 尽可能得减小，即从控制 方法的角度减小e m i ，是从根本上解决e m c 问题的关键。目前，国内外对牵引变 流器e m i 的深入研究还不多，以此作为研究课题，具有较大的工程应用价值。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 近年来，电力机车上的电力电子设备所占比重越来越大，牵引功率也 不断增大，由此产生的电磁污染则更为严重。由于牵引变流器输入输出电压及 功率都非常大，因此牵引变流器的主电路、控制电路及控制方法都存在很多特 殊性。分析逆变器的谐波产生机理，高频谐波干扰途径以及高次谐波的危害。 提出了常用的一些抑制电磁干扰的措施，如增加滤波器、屏蔽、接地、隔离等。 ( 2 ) 分析逆变器供电时电机共模电压、轴电压和轴承电流的产生机理，研 究轴电压、轴承电流与电机共模电压之间的本质关系。p w m 脉冲作用下，电机 内分布电容的电压耦合作用构成系统的共模回路，从而引起电机轴电压和轴承 电流。轴电压的大小主要与共模电压和电机内各部分耦合电容有关。轴承电流 主要由3 种电流组成：e d m 电流、dv d t 电流和环路电流。采用s v p w m 调制策 略比采用s p w m 调制策略所产生的共模电压更小；采用三相四桥臂逆变器和p w m 逆变器输出前馈有源滤波器来抑制共模电压。 ( 3 ) 以电磁场理论为基础，分析推导了四种典型连接回路的线路电感，给 出了导线结构参数变化时不同连接回路的电感的公式。分析比较了四种典型回 路对空间电磁干扰，从理论上说明了在功率变换器设计中采用的连接回路的导 体厚度和回路间的绝缘层都是越薄越好。通过实例对新系统设计中的i g b t 变流 器主电路布局和原系统改造时的i g b t 逆变器布局进行了分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第二章牵引变流器电磁干扰的机理 通常变流器能够运行在一个可能存在着较高电磁干扰( e m i ) 的工业环境中， 此时它即是噪声发射源，可能又是噪声接受器。变频器的基本构成有四部分： 整流部分、中间直流环节、逆变部分和控制部分，具体如图2 1 所示。变频器的 输入侧为整流电路，它具有非线性特性，因此不可避免地产生高次谐波。一般 来讲，若整流电路为m 个三相桥式整流电路构成的6 m 相整流电路，其电源侧电流 将含有6 m 1 次谐波( m = 1 、2 、3 、) ，当变频器接入电源时这些高次谐波 将会污染电源；通用变频器的输出侧的逆变部分多采用正弦脉冲宽度调制方式 t i o s p w m 方式。这种调制方式虽输出侧的谐波份量较其他控制方式大为减少但仍 含有高次谐波分量。这些谐波会对电气设备、电子设备、通讯设施产生干扰， 使其工作不正常或无法工作。 中间直流环节 图2 1牵引变流器的基本构成 2 1 牵引变流器谐波产生的机理 根据主电路方式，变频器分为电压型变频器和电流型变频器两大类。电压型 i g b t 逆变器的输出由高频窄脉冲组成，这种变频器具有通用性强，经济性好，功 率因数高等特点。变频器输出侧p w m 控制产生的输出电压和输出电流均有谐波， 这是由于变频器中的逆变部分是通过高速半导体开关来产生一定宽度和极性的 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 p w m 控制信号，这种具有陡变沿的脉冲信号会产生很强的电磁干扰，尤其是输出 电流，它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的干扰，严 重地超出电磁兼容性标准的极限值要求。谐波频率的高低与变频器调制频率有 关，调制频率低( 1 2 k h z ) ，人耳听得见高次谐波频率产生的电磁噪声( 尖叫声) 。 若调制频率高( 女i i g b t 变频器可达2 0k h z ) ，人耳听不见，但高频信号是客观存 在的。 2 1 1 输出侧嗍控制产生高次谐波的机理 三相p w m 变频器利用比较器将电压指令与变频器调制频率的三角波比较，产 生p w m 脉冲信号n 3 1 。电压指令信号一般为三相正弦波，三角波与正弦波电压指令 参考信号分别相比较后，即可产生调制波，调制波为一系列等幅、等距而不等宽 的脉冲系列。通过对脉冲的分析，可以推测出来产生在变频器调制频率附近的高 次谐波主要分量。如图2 所示线电压高频分析结果：变频器调制频率的边瓤 蛳，五士铴的电平大，变频器调制频率的2 倍边频瓢蛳，犹士输的电平也较 大，对于p w m 控制的电压型变频器，不管是何种p w m 控制，其输出的电压波形为矩 形波，对电压方波进行傅氏分解均可获得各次谐波的含量。谐波频率的高低与变 频器调制频率的大小有关，调制频率低，人耳听得见调制频率产生的电磁噪音， 调制频率高，入耳听不见，但高频信号仍存在。 a r 、 3 篷 翟 缀 j o 0 5 0 一。 朋 z 图2 2线问电压的计算频谱 在逆变输出回路中，输出电压和电流均有谐波。对于p w m 控制的变频器，只要 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 是电压型变频器，不管是何种p w m 控制，其输出电压波形为矩形波。其中谐波频率 的高低是与变频器调制频率有关，调制频率低( 如1 - - - - 2 k h z ) ，人耳听得见高次谐 波频率产生的电磁噪声( 尖叫声) 。若调制频率高( 如i g b t 变频器可达2 0 k h z ) ， 人耳听不见，但高频信号是客观存在。从电压方波及电流正弦锯齿波，用傅立叶 级数不难分析出各次谐波的含量。所以，输出回路电流信号也可分解为只含正弦 波的基波和其它各次谐波，而高次谐波电流对负载直接干扰。另外高次谐波电流 还通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。 这是由于变频器中的逆变部分是通过高速半导体开关来产生一定宽度和极 性的p w m 控制信号，这种具有陡变沿的脉冲信号会产生很强的电磁干扰，尤其是 输出电流，它们将以各种方式把自己的能量传播出去，形成对其他设备的干扰， 严重地超出电磁兼容性标准的极限值要求。 2 1 2 变频器数字电路产生的高频干扰 变频器是由数字电路组成，数字电路受电路结构、内部连接线及工作过程特 点等的影响，也会产生许多高频干扰，主要有以下几类： ( 1 ) 电源干扰：合切电源开关造成的冲击电流，电路逻辑状态变化时的电流 电压变化，温度变化时的直流脉动，负荷变化时的冲击浪涌、雷电浪涌。 ( 2 ) 串扰：多芯电缆、成束电缆之间的耦合，印制电路板内平行印制导线或 变频器内较长的平行配线之间的电磁感应和静电感应。 ( 3 ) 工作过程干扰：主要有数字装置使用的开关电源发出的高频辐射干扰， 逻辑电路断开和接通时电压电流变化率过大产生的内部干扰，设计内部结构不 当引起的数字电路发生的异常振荡。 ( 4 ) 其它：地线干扰、公共阻抗干扰、静电放电干扰等。 2 1 3 输入端谐波产生机理 。 实际上不限于通用变频器，晶闸管供电的直流电动机、无换向器电动机等 凡是在电源侧有整流回路的，都将产生因其非线性引起的高次谐波。在三相桥 式整流回路中，输入电流的波形为矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次 谐波，通常含有6 n + 1 ( n = 1 ，2 ，3 ) 次谐波。其中的高次谐波将干扰输 入供电系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 变频器的主电路一般为交一直一交组成，外部输入的电源经三相桥路不可 控整流成直流电压，经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交 流电压。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级 数分解为基波和各次谐波，谐波次数通常为6 n + 1 次高次谐波，其中的高次谐波 将干扰输入供电系统。如果电源侧电抗充分小、换流重叠角诃以忽略，那么1 1 次高次谐波为基波电流的1 n 。输出端谐波产生机理在逆变输出回路中，输出电 流信号是受p w m 载波信号调制的脉冲波形。对于g t r 大功率逆变元件，其p w m 的载 波频率为2 - 3 k h z ，而i g b t 大功率逆变元件的p w m 最高载频可达1 5 k h z 。同样，输 出回路电流信号也可分解为只含基波和其他各次谐波。 变频器对电源电网的干扰 对于变频器而言，由于其在电侧有整流回路，必将产生因其非线性引起的 谐波，使总的输入谐波电流失真超过5 ( i e e e 5 1 9 - - 1 9 9 2 标准规定电网谐波电流 小于2 0 倍负载电流，电流失真小于5 。) ；变频器产生的谐波电流输入给电源电 网，可导致配电系统的电感与电容发生谐振呈现最小阻抗，使配电系统呈现最 大电流，变频器及电容都会受损伤。也就存在变频器对电网的谐波污染问题。 变频器对电气设备的干扰 如连接变频器的电源系统还并联有电力电容器、发电机、电动机等负载， 变频器产生的谐波电流按照各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载。对于电 力电容，由于谐波引起并联谐振，则有异常电流流入电容器，往往导致电容器 过热、绝缘破坏。而对于发电机，会使同步发电机的制动绕组和励磁绕组线起 感应电流，可能导致机体过热、寿命缩短等。对于变压器，电流谐波将增加铜 损，电压谐波将增加铁损，使变压器温度上升，影响其绝缘能力，谐波也可能 引起变压器绕组及线间电容之间的共振，及引起铁心磁通饱和或歪斜，而产生 噪声。 2 2 输出侧高频干扰的传播和电磁干扰 2 2 1 变频器输出侧高频干扰的传播 变频器输出侧高频干扰的传播与一般电磁波干扰一样，分传导和辐射两大 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 类。辐射干扰源是指以电磁波形式传播的高频干扰，其能量从干扰源辐射出来， 通过介质( 包括自然空间) 以电磁波的特性和规律传播。显然，各种天线是辐射 电磁波最有效的设备，除此而外，就是布线，结构件、元件、部件满足条件时，起 到发射天线与接收天线的作用，即产生天线效应，它可以通过编织屏蔽层或连接 电缆向外辐射。另外，数字电路中的元器件工作在非线性状态时产生的电磁干扰， 这些谐波分量和互调产物在电路中传导后，当辐射条件具备时，也以电磁波的形 式向空中辐射。传导干扰源是指许多电子设备的硬件包含着具有天线能力的元 件，如电缆、印刷电路板的印制线、内部连接线和机械结构。它们能与电场、磁 场或电磁场方式传播能量并耦合到输出电缆中。干扰源就是通过这些能量耦合 方式将干扰施加于敏感设备上。 2 2 2 变频器的电磁干扰 变频器是含有计算机芯片的电子设备，易受外界的一些电气干扰。另一方面， 变频器输入侧是一个非线性整流电路，对电源波形将有影响，变频器输出侧p 1 j l m 控制产生丰富的高次谐波，在变频器内还有元器件、振荡电路、数字电路、触点、 开关等都将产生连续的干扰频谱。因此变频器投入运行既要防止外界对它的干 扰，又要防止干扰在一定的条件下按照一定的耦合方法去影响敏感设备。要做到 这一点，就得采取相应措施和配套设备，以保证变频器安全、高效地工作。防止 变频器输出侧高次谐波干扰的技术措施主要有采用开关频率高的电力电子器件， 输出端加装滤波器、改进p w m 调制方法等等。 2 2 3 输出谐波对外产生干扰的方式 逆变器对外产生的干扰危害，一般是通过电磁波的方式向空中辐射；通过 线间电感向周围线路产生电磁感应：通过线间电容向周围线路及器件产生静电 感应：还可以通过电源网络向电网传播。当变频调速系统的容量足够大时，所 产生的高频信号将足以对周围各种电子设备的工作形成干扰，其主要后果有： 影响无线电设备的正常接收，影响周围机器设备的正常工作。此外，变频器输 出的具有陡变沿的驱动脉冲包含多次高频谐波，而变频器与电动机之间的连接 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 电缆存在杂散电容和电感并受某次谐波的激励而产生衰减振荡，造成传送到电 动机输入端的驱动电压产生过冲现象，同时电动机绕组也存在杂散电容，过冲 电压在绕组中产生尖峰电流( 如图3 3 示) ，使其在绕组绝缘层不均匀处引起过 热，甚至烧坏绝缘层而导致损坏，还会增加电源的功率损耗。如果逆变器的开 关频率位于听觉频率范围内，电动机还会产生噪声污染。 逆銮器艳当波形，电机输入波形 ( 开关频率7 l 【h z ) ( 并美频率i i 晓) 图33 变频器过冲电压对电机输入波形产生的干扰 变频器输出侧的谐波干扰途径与一般无线电干扰一样分传导和辐射。在传 导的过程中，与变频器输出线平行的导线又会产生电磁耦合形成感应干扰；变 频器输出侧谐波又会辐射，对附近的无线电设备产生干扰，其干扰途径如图3 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 电收放机 电机 图3 4 谐波干扰的途径 2 3 高次谐波的危害 与一般无线电电磁干扰一样，变频器产生的高次谐波通过传导、电磁辐射 和感应耦合三种方式对电源及邻近用电设备产生谐波污染。传导是指高次谐波 按着各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载，对并联的电气设备产生干扰； 感应耦合是指在传导的过程中，与变频器输出线平行敷设的导线又会产生电磁 耦合形成感应干扰；电磁辐射是指变频器输出端的高次谐波还会产生辐射作用， 对邻近的无线电及电子设备产生干扰。 高次谐波的危害具体表现在以下几个方面。 1 变压器 电流和电压谐波将增加变压器铜损和铁损，结果使变压器温度上升，影响 绝缘能力，造成容量裕度减小。谐波还能产生共振及噪声。 2 感应电动机 电流和电压谐波同样使电动机铜损和铁损增加，温度上升。同时谐波电流 会改变电磁转距，产生振动力矩，使电动机发生周期性转速变动，影响输出效 率，并发出噪声。电流谐波将增加铜损，电压谐波将增加铁损，综合效果是使 变压器温度上升，影响其绝缘能力，并造成容量裕度减小。谐波也可能引起变 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 压器绕组及线间电容之间共振，及引起铁心磁通饱和或歪斜，而产生噪声。损 失随频率之增大而增加，故谐波的高频成分比低频成分对增加变压器的温升是 比较重要的因素。 输出谐波会引起电动机附加发热，导致电动机额外温升，电动机往往要降 额使用。由于输出波形失真，增加电动机的重复峰值电压，影响电动机的绝缘， 谐波还会引起电动机转矩脉动，以及噪声增加：用变频器传动电动机同用正弦 波( 工频电源) 传动相比，由于变频器输出波形中含有谐波的影响，电动机的功 率因数、效率将恶化。 用变频器进行电动机调速运转，还会使电动机产生电磁噪声和电磁振动。 变频器传动时，由于输出电压、电流中含有谐波分量，气隙的谐波磁通增加， 则噪声变大。其特征为：由于变频器输出较低频率与转子固有频率的共振，在 转子固有频率附近的噪声增大；由于变频器输出的谐波分量使铁心、机壳、轴 架等的谐振，在其固有频率附近的噪声增大( 用i g b t 逆变器，开关频率高，低频 噪声可减小) 。产生电磁振动主要原因是低次谐波分量，表现为：由于较低次的 谐波分量与转子的谐振，其固有频率附近的振动分量增加；由于谐波产生的脉 动转矩的影响发生振动( 采用s p w m 或矢量控制方式时，低次谐波分量小，可减小 脉动转矩，其影响变小) 。由于电动机是按工频电源下能获得最佳特性而设计， 所以用变频器运转时，根据用途在特性、强度等方面受到限制。 4 电力电容器 当高次谐波产生时由于频率增大，电容器阻抗瞬间减小，涌入大量电流， 因而导致过热、甚至损坏电容器，还有可能发生共振，产生振动和噪声。一般 电容器的标准规范规定其最大电流只允许3 5 的超载。但实际运转时由于谐波的 影响常发生严重过载。由于电容器之阻抗，随频率的增加而减少，故谐波产生 时，电容器即成为一陷流点，流入大量电流，因而导致过热，增加介电质的应 力，甚至损坏电力电容器。当电容器与线路阻抗达到共振条件时，会发生振动 短路、过电流及产生噪声。 5 开关设备 由于谐波电流的存在，开关设