（电力电子与电力传动专业论文）牵引变流器电磁兼容技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 a b s t r a c t e l e c t r o m a g n e t i cp o h u f i o ng e n e r a t e db ye l e c t r i c a ll o c o m o t i v eo nt h ee n v i r o n m e n th a sb e e n a t t a c h e dg r e a ta t t e n t i o nb yr o i l i n gs t o c km a n u f a c t u r i n gh d u s t r ya th o m ea n da b r o a d t r a c t i o n c o n v e r t e ri so n eo f $ e v e r ee 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 ( e m i ) s o u l c c s s or e s e a r c ho 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 y ( e m c ) s t r a t e g yi nt r a c t i o nc o n v e r t e ri s e s p e c i a l l yi m p o r t a n t t h i st h e s i s f o c u s e so ne m ig e n e r a t i o na n dp r o p a g a t i o nm e c h a n i s m s ，c a u s ea n ds p r e a dr o u t eo fc o n d u c t e d e m i , h a l mo fc o m m o nm o d e ( c m ) e m ia n dm o d u l a t i o ns t r a t e g yt or e d u c ec o m m o nm o d ee m ii n t r a c t i o nc o n v e l t e l t h ee m io ft r a c t i o nc o n v e r t e ri sc l a s s i f i e d 鹊c o n d u c t i o ne m ia n dr a d i a t i n ge m i t h em a i n i n t e r f b r e n c 圮i sc o n d u a i o ne m ii nt h et w oi n t e r f e r e n c e s t h ec o n d u e t i o ne m ii sc l a s s i f i e da s c o m m o nm o d ee m ia n dd i f f e r e n t i a lm o d e ( d m ) e m i d i f f e r e n t i a le m ii sd u et ot h er i p p l e c u r r e n tf r o mt h ef a s ts w i t c ha n dc o m l n o nm o d ee m ii sd u et ot h ed v d tc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g t h ep a r a s i t i cc a p a c i t o r c o m m o nm o d ee m ii sm a i ni n t e r f e r e n c ei nc o n d u c t i o ne m i c mv o l t a g e a n dc mc u r r e n tw i l ll e a dt og e n e r a t eb e a r i n gv o l t a g ea n d b e a t i n gc u r r e n ti nt r a c t i o nm o t o r o t h e r e a r t hc o n n e c t i o nd e v i c e sw i l la l s ob ei n t e r f e r e db yt h e m i no r d e rt od e c r e a s et h eh a r mo fc o r n - m o nm o d ee m i ，t h ed i s s e r t a t i o nf i r s t l ya n a l y s e dt h es t r u c t u r ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft r a c t i o n c o n v e r t e r a n dd e s c r i b e dt h ec a u s eo fe m i g e n e r a t e db yt r a c t i o nc o n v e r t e r ，m a i ns p r e a dr o u t ea n d s u p p r e s s i o nm e a s u r eo fe m i t h e nt h eg e n e r a t i o na n dp r o p a g a t i o nm e c h a n i s m so fc o n d u c t i o n e m ia n dt h ee m ic a u s e db ym o d u l a t i o ns t r a t e g yw e r ea n a l y s e di nd e t a i l n e wm o d u l a t i o nt e c h - n o l o g i e sa l ep r o p o s e dt or e d u c ec o m m o nm o d ee m io fp w mi n v e r t e r b a s i n go nt h et r a d i t i o n a l s v p w m ，t h en e wm o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e si n c l u d ed i g i t a lv e c t o ra c t i o nt i m em o d u l a t i o nt e c h - n o l o g ya n di m p r o v e ds v p w m i nt h r e e p h a s ei n v e r t e rw i t hf o u rb r i d g el e g s e f f i c i e n c yo fd c v o l t a g ea n dh a r m o n i cc o n t e n to fo u t p u tc u r r e n tw e r ea n a l y s e di nd e t a i lo i lt h en e wm o d u l a t i o n t e c h n o l o g i e s s i m u l a t i o nw a s m a d eo nt h et w on e wm o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e sb yu s eo fm a f l a b s i m u l i n k ， t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a ti m p r o v e ds v p w mi nt h r e e p h a s ei n v e r t e rw i t hf o u rb r i d g el e g s c a l la t t e n u a t i o nc o m m o nm o d ei n t e r f e r e n c ee f f e c t i v e l yw i t h o u tc h a n g i n ge f f i c i e n c yo fd c v o l t a g ea n d h a r m o n i cc o n t e n to fo u t p u tc u r r e n t s oi ti sf i tt oc o n t r o lt r a c t i o nc o n v e r t e l k e yw 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 ，p w m ，s p a c ev o l t a g ev e c t o r 西南交通大学曲南父遗大罕 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 不保密彭使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者躲体秆锾指导老师躲 元撬荔 日期：死扣留】驻曰 日期：唔乡岁 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。 本学位论文的主要创新点如下： 1 对变流器e m c 的研究国内大多停留在如何使已存在的电磁 干扰不对其它设备造成影响的研究上，很少有从电磁干扰产 生的根源入手消除电磁干扰。牵引变流器产生电磁干扰的根 源是p w m 脉冲波，本文研究的重点是从改变控制方法的角度 减小p i j i l v l 脉冲波导致的电磁干扰。 2 本文提出了两种方法减小牵引变流器的共模传导干扰，数 字化矢量作用时间调制技术和三相四桥臂逆变器改进型 s v p w m 调制技术，其中数字化矢量作用时间调制技术包含三矢 量控制技术和六矢量控制技术。 3 经过对比分析，三相四桥臂逆变器改进型s v p i 孙i 调制技术 对于改进共模传导干扰具有相当优越的特性，适合运用于牵 引变流器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 电磁兼容技术的研究背景 1 1 1 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 订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 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 ) 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。 1 1 2 电磁兼容技术的发展 虽然电磁兼容作为- - f 7 学科是在6 0 年代开始发展的，但早在1 9 3 4 年就由国 际电工委员会( i e c ) 发起并联合一些国际组织成立了国际无线电干扰特别委员 会( c i s p r ) ，当时主要是保护音频广播免遭干扰。1 9 4 5 年美国军方制订了世界 上最早的军用电磁干扰标准3 a n - i - 2 2 5 ，用于控制机载电气设备的电磁干扰。进 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 入6 0 年代以后世界上一些技术先进的国家全面深入地开展了电磁兼容的研究工 作，包括对电磁兼容测量技术的研究和相应测量仪器的开发。c i s p r $ i j 订了一系 列的民用推荐标准，美国军方制订了全面的军用标准m i l s t d - 4 6 l 4 6 2 。这些标 准随着新产品、新系统和新技术的不断出现也随之进行不断地补充、修改和扩 展。目前世界上的发达国家例如美国、欧共体国家、日本等已形成了一整套完 整的电磁兼容体系，表现在：具有完善的电磁兼容标准和规范；具有有效地对 军用和民用产品进行电磁兼容检测和管理的机构；具有高精度的电磁兼容自动 测试系统；研制了很多关于电磁兼容预测、分析和设计的程序，有的已经商品 化：电磁兼容控制技术使用的新材料、新工艺、新产品不断出现。这个体系保 证了产品从设计、制造到进入市场和使用的全过程都得到充分地控制，以达到 最终实现电磁兼容的目的。这个体系的逐步建立是以电磁兼容方面的学术研究 为先导和基础的，国外电磁兼容的学术活动非常活跃。跨国电气电子工程师学 会( i e e e ) 的电磁兼容学会每年在美国举办一次国际e m c 学术会议，其出版物i e e e e m ct r a n s a c t i o n s 是世界电磁兼容界的一级刊物。在欧洲的瑞士苏黎世和波兰 的w r o c l o w 每年轮流举行e m c 学术会议，参加的人数和规模都比较大。此外，英 国、日本、意大利、印度等国也定期举办会议。这些学术活动对促进交流和推 动世界范围内的电磁兼容学科的发展起了很大的作用。 我国由于过去经济基础比较薄弱，电磁兼容的矛盾不突出，所以起步较晚， 目前与国外的差距仍然很大。在7 0 年代国内一些单位特别是军品单位在实际工 作中遇到了电磁兼容问题，开始引起了重视。8 0 年代成立了全国无线电干扰标 准化技术委员会，与c i s p r 对口，研究和制订了一些电磁兼容标准。国内的一些 科研单位、大学也逐步建立了实验室，开展电磁兼容研究。9 0 年代的海湾战争 为国人敲响了警钟，使人们认识到电磁兼容的重要性，而欧共体的电磁兼容指 令8 9 3 3 6 e e c 贝u 更增加了这种迫切性。指令规定自19 9 6 年1 月1 日起凡不符合电 磁兼容标准的产品一律不准进入欧洲市场，这无疑对我国产品的出口带来了很 大压力。因此电磁兼容热在这一、二年中迅速升温。目前国家正在加快建立电 磁兼容认证体系，以保证中国的电磁兼容事业能正常地健康发展。在学术活动 方面，虽然我国尚未成立电磁兼容一级学会，但不少一级学会设置了电磁兼容 二级学会，并曾联合召开了4 次规模较大的全国性会议。令人欣喜的是我国还成 功地举办了2 次国际e m c 学术会议。相信在不久的将来中国将会有自己的电磁兼 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 容完整体系，并不断发展完善。 1 2 牵引传动系统电磁兼容研究现状 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。 1 2 1 线路与信号系统的耦合干扰 线路与信号系统的耦合干扰主要分为两种。 第一种是回流对轨道电路的干扰。机车的回流或者信号系统的回流，都是 把轨道作为导体使用，从而引起两者之间的电导性耦合。牵引变流器输出电流 的谐波高达几千赫兹，如果有一种谐波的频率与轨道电路的工作频率相同，且 其电平超过规定的数值，那么它对轨道电路的干扰是可以想象得到的。不仅谐 波，基波也可能对轨道电路形成干扰。 第二种是电抗性耦合引起的干扰。由于交流电气化线路对地不对称，供电 系统结构会干扰与铁路线平行的信号和通信电缆，因而必须考虑以下几种可能 的情况：在强电设备( 包括机车) 正常运行时，接触网中的电流产生的长时间的干 扰：由于接触网短路产生的短时间的干扰；机车正常运行时工作电流谐波产生 的干扰。电气化线路引起的电抗性干扰回路主要通过干扰源( 接触网) 、受扰体 ( 通信线路) 和公共地。 1 2 2 牵引传动系统与信号系统的电磁兼容 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 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。 1 2 3 瞬变电磁场干扰 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 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l o o m l 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。 1 2 4 其他形式的干扰 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 牵引变流器电磁兼容 1 3 1 牵引变流器电磁兼容性问题 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 u 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 u 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 m 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 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 1 】i 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。 一( 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 2 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 1 1 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。 评估方法 在图卜1 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 l 。 图i - i 干扰场强取样 圣墨垒圣；o 8 丁 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 判定公式：e + k s 。s l i 一( 砉驯万，瓯= 其中k 是取决于n 的常数。 ，l 是干扰场强的允许值 k 与n 关系表 n891 01 11 21 31 41 5 kl 。31 2 71 2 41 2 l1 2 0l ，1 91 1 81 i 1 7 ( 3 ) e n 5 4 7 1 2 l 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 1 总则 e n 5 0 1 2 1 - 一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 - 一3 2 铁道机车车辆部件、设备 e n 5 0 1 2 卜一4 信号设备和电信设备的辐射和抗干扰 e n 5 0 1 2 1 - - 5 地面供电设备的辐射和抗干扰 其中，e n 5 0 1 2 1 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。 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； 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 慢速工况下应避免弓网拉弧或跳弓，干线机车推荐( 5 0 土l o ) k m l 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1 0 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 一1 5 0 k h z ：测量分辨率至少在2 0 0 h z 15 0 k h z - - 3 0 m h z ：测量分辨率至少在l o k h z 3 0 m z 1 g h z ：测量分辨率至少在1 2 0 k h z 图卜2 动态评估标准 j “。 m 、： 翼 一一 哪 _ l_、 崎 一 _ 姜 、k 。_ 一二 、 _ 、h - 、 、u 1 、j 容 * 、l 卜 基、 、- - -一。 、 、 蕾 _ 、q i p - “- 一 _ 一 _ 憎 - 豳 hht 图卜3 静态评估标准 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 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 w m 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 m 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、交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。 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 ) 分析了牵引变流器结构、工作原理、控制策略及调制技术。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。 ( 2 ) 详细分析了牵引变流器系统的主要电磁干扰源及干扰耦合途径，分析 了变流器输出端共模传导干扰产生的机理、传播路径及对系统的危害。分析表 明，在传导电磁干扰中，功率开关器件通断产生的d v d t 和d i d t 是主要的电 磁干扰源。功率器件的通断在逆变器的直流侧产生了脉动电流，形成了差模干 扰：共模干扰是由于桥臂中点对地寄生电容充放电引起的。变流器通过传输线 干扰电机是变流器的主要电磁干扰问题，变流器输出的共模电压是高频漏电流、 轴电压及轴承电流产生的源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1o 页 ( 3 ) 针对电力机车上的牵引变流器，提出了e m i 抑制措施，包括滤波、屏 蔽、接地、布线、隔离等措施。 ( 4 ) 详细阐述了通过改进逆变器输出p w m 波方法来抑制共模干扰的方法。首 先提出了两种数字化矢量作用时间的方法来抑制共模干扰，从仿真结果表明这 两种方法确实能减小共模干扰，但是又存在其固有的缺陷，于是提出了在三相 逆变器的基础上加入四桥臂改善共模干扰的方法，将传统的s v p w i 方法改进后 运用于三相四桥臂电路中，对改进s v p w m 调制策略进行了详细的分析。仿真结 果表明三相四桥臂结合改进s v p w m 调制技术可完全消除逆变器输出侧共模干扰， 且直流电压利用率及输出电流谐波含量不会增加。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第二章牵引变流器的基本原理 1 8 7 9 年世界第一台电力机车和1 8 8 1 年第一台城市电车就尝试了直流供电牵 引方式，但因系统庞大、电能转换为机械能的转换效率低、转换能量小等因素， 未能成为牵引动力的适用模式。直至u 1 9 5 5 年水银整流器机车的问世，才标志着 牵引动力电传动技术实用化的开始。1 9 5 6 年，美国贝尔实验室( b e l ll a b ) 发明 晶闸管，1 9 5 8 年，美国通用电气公司( g e ) 研制成功第一只工业用普通晶闸管并 商业化，标志着电力电子技术的诞生，电力牵引跨入电力电子时代。1 9 6 5 年， 晶闸管整流器机车问世，电力牵引传动系统发生了根本性的技术变革，全球兴 起单相工频交流电网电气化的高潮倥1 。2 0 世纪7 0 年代，采用异步交流传动系统的 d e - 2 5 0 0 内燃机车问世，其优越的牵引性能很快被铁路运输部门认可。随后，由 l 台d e - 2 5 0 0 型机车加挂1 节控制车，对采用四象限变流器供电的电力机车的电气 性能加以研究，进而研制出第一代交流传动电力机车一采用晶闸管牵引变流器 ( 包括四象限变流器和p w m 逆变器) 的e 1 2 0 型机车，奠定了当代交流牵引传动系统 的技术基础。从此，轨道车辆电传动系统进入了从直流传动到交流传动的产业 升级换代时期，并经历了晶闸管牵引变流器、g t o 牵引变流器、i g b t ( i p m ) 牵引 变流器三个发展阶段。随着微电子技术和计算机控制技术的发展，牵引变流器 控制装置也由最初采用数模电子电路发展到采用1 6 位微机控制系统和3 2 位微机 控制系统，且控制性能不断得到改进和完善。交流传动在电力牵引领域展现了 前所未有的活力。电力机车的交流传动技术展现出来的良好性能，使得目前在 世界范围内高速列车和大功率机车的牵引传动几乎都采用了交流传动技术订儿射。 我国电力机车交流传动技术的研究起步较晚，但近1 0 年来研制步伐有所加 快，a c 4 0 0 0 交流传动电力机车的研制成功，使我国交流传动机车实现了零的突 破，奠定了我国发展交流传动牵引变流器的技术基础。特别是1 9 9 8 年铁道部提 出并实施“十年转换”工程以来，先后研制出采用i g b t 牵引变流器的d w a 型地 铁工程维护车、采用i p m 牵引变流器的n j l 型内燃机车和d j 型高速交流电力机 车，使我国交流传动机车技术跨上了一个新台阶。交流传动将是我国下一代电 力机车的主要牵引传动形式，交流传动与控制技术是我国目前铁路技术研究的 重点课题。变流技术的研究是目前电力电子技术发展中的一个重要领域，它的 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 产生和发展与现有的电力电子技术研究内容和应用密切相关。其研究内容主要 涉及到四个方面：功率半导体技术，主电路拓扑结构，变流器控制技术以及变 流器的应用技术。 2 1 牵引变流器的主电路 为便于变流器的组装和维护，同时也有利于变流器的精心设计、制造，交 流传动牵弓l 变流器通常采用模块化结构设计，把交流器的每一相做成一个相构 件。 2 1 1 按照输出电平数分类 1 两点式电路结构 图2 1 为三种典型的两点式相构件电路。图2 - i ( a ) 为晶闸管变流器相构件 电路，国外主要应用于6 0 - - - 8 0 年代开发的牵引变流器。我国自行开发的a c 4 0 0 0 交流传动电力机车原型车牵引变流器相构件也采用这种电路。该变流器的功率 元件采用强迫关断的晶闸管，由辅助晶闸管v t 。、换流电容c 。以及换流电抗器l 。、 l ：组成的换流电路关断主晶闸管v t 。，由辅助晶闸管v t l 、换流电容c 。以及换流电 抗器l ：、l 。组成的换流电路关断主晶闸管v t ：。每个晶闸管并联一个吸收电路。缺 点是：晶闸管开关频率低导致系统性能差；复杂的换流电路不但增加变流器体 积重量而且降低变流效率j 图2 1 ( b ) 为g t o 变流器相构件电路，国外主要应用于 8 0 年代中期以后生产的牵引变流器，迄今还在大量生产和使用。我国自行开发 的大功率g t o 牵引变流器相构件也采用这种电路。其特点是：g t o 元件具有自关 断能力，且元件功率大、装置体积小、重量轻，可靠性高：但由于g t o 元件是电 流型控制器件，应用技术较复杂。图2 - 1 ( c ) 是采用i g b t ( i p m ) 的交流器相构件电 路，主要应用于9 0 年代中期以后开发的中、大功率变流装置，且目前开发的牵 引变流器越来越多地采用i g b t ( i p m ) 元件。d w a 型国产地铁工程维护车、n j l 型内 燃机车和d j 型高速电力机车牵引变流器相构件采用这种电路。i g b t ( i p m ) 元件不 但具有自关断能力，而且是电压型控制器件，开关频率高。由于i g b t ( i p m ) 元件 自身结构上的一些优点，使得电路的结构相对简单，可以采用低感母排，降低 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 回路电感，取消吸收电路，装置体积重量进一步减小，可靠性进一步提高陆1 。 + + l 1 r 口l r 意 v t lv d 3 z 审三 s v d l 弋7 - 一 = c 2 1 - 7 c 7 一 = c l i ，v mi - 心v t 2器o = c 3 峰u 弋 - 7 1 曼j ( a ) a d + m 、0 c ) ( a ) 晶闸管变流器；( b ) g t o 变流器；( c ) i g b t ( i p m ) 变流器 图2 1 两点式相构件电路 2 三点式牵引变流器 图2 1 中介绍的逆变器相构件电路均为两点式电路，其交流输出端只有u d 和0 两种电平，一台三相逆变器总共有2 3 = 8 种工作状态。目前使用的和正在研制的牵 引变流器大部分采用两点式电路。为了提高中间直流电压和改善牵引变流器交 流输出波形，人们还开发使用了三点式逆变器电路( 见图2 2 ) 。其交流输出端有 u 。2 、o 三种电平，一台三相逆变器总共有3 3 = 2 7 种工作状态。同样的中间直流 电压，三点式电路主元件承受的电压近似为两点式电路的一半；采用三点式变 流器可加快主电路对控制系统的响应速度，提高系统的动态性能；同时，三点 式变流器交流输出波形优于两点式变流器，有利于改善输出电压波形，降低输 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 出正弦电流的脉动量。 图2 2 三点式相构件电路 3 多电平变流器 实现高压大容量的途径主要有两种：通过器件的串联( 或多电平) 实现高 电压；通过器件的并联实现大电流。由于器件的直接串联存在很高d v d t 和共 模电压，严重威胁电机绕组的绝缘，因此，2 0 世纪8 0 年代以来，人们发展了新 型的多电平变频器，各种电压型多电平变频器的拓扑结构相继被提出，并被广 泛的应用于大容量功率变换领域。经过多年的发展，多电平变频器已形成多种 拓扑结构，但就其本质来说主要为两大类：筘位型和级联型。 ( a ) 基本单元串并联多电平拓扑( b ) 基本单元并串联多电平拓扑 图2 - 3 多电平变流器拓扑 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 1 2 按相数分类 单相和三相，也有少数多相变流器。单相变流器主要在小功率场合应用较多， 在高压大功率场合己不能满足容量需求，三相变流器常用于大功率场合。单相 又可分为半桥、全桥和带中心抽头变压器的结构；三相变流器也可以分为半桥 和全桥结构。单相结构如图2 - 4 所示。单相半桥相对于全桥来说，结构简单， 功率器件只是全桥的一半，成本低，适用于小功率场合。在相同的交流侧电路 参数下，要获得相同的交流电流、电流控制特性，半桥所需的直流电压是全桥 的两倍，对功率器件的耐压要求也更高。 ( a ) 半桥( b ) 全桥 图2 - 4 单相交流器拓扑结构 三相变流器的半桥和全桥拓扑结构如图2 5 所示。在三相系统中，三相半 桥比较适用于三相平衡系统，负载不平衡时系统会发生故障。而三相全桥结构 相当于3 个单相全桥，通过耦合变压器形成带中点的三相输出，虽然可以抑制 不平衡负载，但结构较为复杂，所需的功率器件也比三相半桥多一倍。 c a ) 半桥( b ) 全桥 图2 - 5 三相交流器拓扑结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 芝1 3 按直流侧和交流侧的波形分类 根据直流侧和交流侧的波形，逆变器又可分为电压源型逆变器和电流源型 逆变器。 1 电压源型变流器 直流电源是恒压源，直流侧并联有较大的直流滤波电容；负载功率因数发 生变化时，交流输出电压波形不变，交流电压与负载无关；输出电流的相位随 着负载的功率因数变化而变化。 2 电流源型变流器 直流电源是恒流源，直流侧串联有较大的直流滤波电感；负载功率因数发生 变化时，交流输出电流波形不变，交流电流与负载无关；输出电压的相位随着 负载的功率因数变化而变化。 综上，变流器的分类大致如下： 变流器 按支流储能形式分类罹蒹篓 按输出相数分类隹薰 按p 硼开黼吩类f 蓑黧嚣 按桥路结构分类 薹纂詈誓 按调制电平分类 霎塞季耋重 2 2 牵引变流器的控制方式 变流器的主要工作原理是借助于控制技术、电力电子技术和计算机技术的 结合，使其能获得需要的电压、电流和频率。各类变流器输出一般为可变电压、 可变频率的形式。 最早研制的两种交流传动机车d e 2 5 0 0 型和e 1 2 0 型机车均采用数模电路实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 牵引变流器的控制。随后，微机控制技术进入交流传动牵引变流器控制系统， 且微机控制系统的硬件和软件均采用模块化设计。国外一些公司先后开发了各 具特色的品牌产品，如a d t r a n z 先后推出了m i c a s 2 s 2 、m i t r a c 系统，s i e m e n s 推 出了s i b a s 2 3 2 系统，a l s t h o m 推出了a g a t e 系统。我国在交流传动牵引变流器控 制系统研制过程中也经历了数模电路控制装置和微机控制装置两个阶段，a c 4 0 0 0 电力机车原型车采用了数模和微机的混合控制装置，后来开发的牵引变流器 均采用微机控制装置。牵引变流器控制的对象异步牵引电动机电磁关系复杂， 其模型是一个多元耦合系统，控制技术开发经历了一个漫长的创新和完善过程。 最先开发并应用于牵引变流器控制系统的是基于稳态模型的转速闭环转差电 流控制，其特点是：闭环控制电机电流维持电机磁通恒定，再通过转速闭环和 转差调节控制电机转矩。这种方案的缺点是动态响应性能差。a c 4 0 0 0 电力机车 原型车采用了转差一电流控制技术。磁场定向控制是一种基于动态模型按转子磁 链定向的矢量控制技术，通过对定子电流的励磁分量和转矩分量的解耦控制， 达到分别控制电机磁链和转矩，实现快速响应的目的。这种方案的缺点是对电 机转子参数变化反映敏感，通常需要在控制系统中增加技术复杂的参数辨识功 能。n j i 型机车和2 0 0 k m h 动力分散交流传动电动车组牵引变流器采用了这种控 制技术。直接转矩控制基于动态模型，采用定子磁链控制以保持定子磁链恒定， 同时避开转子参数变化的影响；采用转矩闭环控制以抑制磁链变化对转矩的影 响，近似实现转矩与磁链解耦，得到转矩的快速动态响应。d j 型机车和d w a 型地 铁工程车牵引逆变器都采用直接转矩控制技术。 2 2 1 电动机特性控制方式 通常所说的变流器控制方式是指电动机特性的控制方式，实质上是交流电 动机的调速控制。具体来说是指如何使电动机的机械特性满足各种负载要求的 控制方式。变流器用来控制异步电动机的转速，在调节电动机转速的过程中， 如何使电动机的机械特性能够满足负载的要求，也是变流器必须解决的问题。 在变流器里，通常把这种控制电动机特性的方法，也称为控制方式或控制模式。 1 v f 控制方式 所n v f 控制方式，就是压频比标量控制方式。基频以下的恒磁通变频调速 为使电机的气隙主磁通保持不变，可采用u 。f 。近似等于常数的方式进行控