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基于IGBT特征化建模的牵引变流器仿真研究

发布日期:2021-09-13   来源:《变频器世界》21-04期   作者:房立禄(Fang Lilu) 邵力耕(Shao Ligeng)   浏览次数:265
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【摘   要】:IGBT开关造成的脉冲电压电流是导致牵引变流器传导干扰超标的重要原因,因此建立一个包含能够准确描述IGBT特性的牵引变流器模型很有必要。本文建立了牵引变流器电路模型,模拟了牵引变流器稳定运行时的状态。建模过程中对IGBT进行了特征化建模,并验证IGBT模型的准确性,使其能够描述IGBT工作时电压波形的上升下降时间。通过对比仿真结果与实测数据,表明了模型能够准确地模拟牵引变流器的运行状态。

 

关键词:IGBT建模;牵引变流器仿真;传导干扰

 

Abstract: The impulse voltage and current caused by IGBT switch is an important reason for the conduction interference of traction converter to exceed the standard. Therefore, it is necessary to establish a traction converter model which can accurately describe the characteristics of IGBT.In this paper, the circuit model of traction converter is established to simulate the state of traction converter in stable operation.During the modeling process, IGBT was characterized and the accuracy of the IGBT model was verified, so that it could describe the rise and fall time of the voltage waveform when IGBT was working.By comparing the simulation results with the measured data, it is shown that the model can accurately simulate the running state of the traction converter.

Keywords: IGBT modeling; Traction converter simulation; Conducted interference

 

1  引言

随着轨道交通行业不停地发展与大功率开关器件技术不断的进步,牵引变流器等大功率变流设备的电磁干扰越来越受到人们的关注,对牵引变流器等变流设备的传导干扰建模研究也越来越深入。

文献[1]分析了变流设备的干扰传导回路与传导干扰源,提取回路中的寄生参数,建立了由传导源与传导回路构成的传导干扰电路模型,进行时域或频域仿真,通过LISN网络测量传导干扰信号并进行对比分析。但是由于功率等级的限制,很难在市面上找到与大功率变流设备匹配的LISN网络,所以传导干扰的测量以及与仿真结果的对比分析难以实现。文献[2]将逆变时各种调制策略下的PWM波形近似为数学函数,完成干扰源的建模,文献[3-4]将IGBT开关波形进行分段线性建模,并表明了IGBT开通关断波形对变流设备传导干扰分析的重要性。但是上述建模方法都只是其将波形进行函数近似,或者是线性化处理,都不能完全复现IGBT的实际开关波形。

本文完成了牵引变流器电气模型的仿真与验证,在此基础上可添加相关高频寄生参数形成传导干扰模型,进行传导干扰分析,且只有保证电气传动模型能准确模拟牵引变流器实际工作状态,才能保证对传导干扰准确分析。建立此模型的过程中,对传导干扰源IGBT进行了特征化建模,并验证IGBT模型的准确性,使其能够复现变流器工作时各个IGBT动作情况与实际波形。此外,此变流传动模型未使用电机矢量控制算法,仅根据变流器运行状态调制出与实际中相同的SPWM波形,控制牵引变流器运行在某个特定状态下,避免了控制算法对后期传导干扰分析的影响。此外,在本变流传动模型基础上建立起来的传导干扰模型,其主回路的波形既包括工作电流电压信号,又包括传导干扰信号,在实际中测量变流器主回路信号即可实现实测数据与仿真结果的对比,而不必使用LISN网络进行传导干扰的测量。

2  仿真模型

2.1  牵引变流器运行状态模拟

    牵引变流系统由直流电源、牵引变流器、三相异步牵引电机构成,如图1所示。牵引变流器由前端的整流器供电,一个牵引变流器包含两个逆变功率模块,采用架控的方式,每个功率模块拖动两个牵引电机。

1  牵引变流系统示意图

 

    假定列车以20km/h的速度匀速运行,对应电机的工作频率为30Hz,因此,将SPWM的调制波设置为30Hz。根据牵引变流器的运行参数,在此速度下IGBT的开关频率为750Hz,因此将SPWM载波设置为频率为750Hz的三角波。由于未采用闭环控制方式,为了避免运行状态的波动,选择在变流器经过加速过程达到匀速运行的时候,为电机接入恒转矩负载。使用1500V的直流电压源模拟牵引变流器的供电电压,整个牵引变流器电路模型如图2所示。当模拟其他运行状态时,修改上述参数即可。

 

2  牵引变流电路模型

2.2  IGBT特征化建模

目前IGBT是大功率变流设备的主要开关器件,其开通关断时集电极与发射极之间的电压是EMI的主要干扰源,并且其电压波形的上升与下降时间dv/dt是影响干扰源大小的主要因[5]面将讨论dv/dt对干扰源大小的影响。

用梯形波模拟IGBT开关过程中集电极发射极之间的电压,用Vce表示,如图3所示。

  

 

IGBT关断时Vce达到直流侧的电压Vdc,上升时间下降时间分别用trtf表示,并且假设tr=tfIGBT开关周期为T,占空比d=ton/T,将开关波形进行傅里叶变换得到其幅频特性

[6]

开关频率f设置为10kHz,n为谐波的次数,d取0.5,Vdc取变流器直流侧电压1500V,分别取tr=tf=400ns,tr=tf=100ns,根据公式计算Vce的幅频特性,如图4所示,IGBT电压上升下降时间对干扰源幅值有明显的影响,并且电压变化越快,干扰越强烈,因此很有必要通过建模准确模拟IGBT开关特性,特别是电压波形的上升下降时间。

目前在IGBT建模研究领域,模型的种类主要分为理想开关模型、稳态特性模型、线性化或基于查表法的开关瞬态模型、基于瞬态行为过程的分段折线模型、物理模型及行为模型以及电热模型[7]

其中理想开关模型无法描述IGBT开关波形;稳态特性模型、线性化或基于查表法的开关瞬态模型、基于瞬态行为过程的分段折线模型是将开关波形线性化,与实际的波形有差距;物理模型建立过程中需要使用物理层面的参数,这些参数实际中较难得到;电热模型仅能表述IGBT特性随温度变化的状况,需要与其他模型结合使用。

    在此使用ANSYS simplorer软件的IGBT特征化建模工具,通过输入IGBT手册给出的参数建立IGBT的特征化模型,特征化模型既包括其行为模型又包括其电热模型,能够通过非线性的方式准确描述IGBT开关波形,IGBT集射极电压上升时间如图5所示,仿真值为1.52μs,实测值为1.48μs,IGBT集射极电压下降时间如图6所示,仿真值为0.93μs,实测值为0.87μs,通过对比IGBT集射极电压的仿真与实测波形验证了IGBT模型的准确性。

    

 

3  现场测试与仿真分析

3.1  实验平台与测试方法

牵引变流器实际运行数据测量在牵引传动实验平台下进行,该平台由直流供电系统、牵引变流器、牵引电机、陪测电机、测量装置构成,如图7所示。测试时,直流供电系统输出1500V电压为牵引变流器供电,牵引变流器拖动四个牵引电机模拟列车以20km/h的速度匀速运行的状态,陪测电机为牵引电机提供适当的负载转矩。

测试时,变流器的交流输出电流通过电流钳测得,如图8所示,并通过示波器传输到操作台,实时监控变流器运行状态并保存测试数据,牵引电机的运行状态通过陪测电机系统传输到操作台。

     

 

3.2  仿真结果分析与实测数据对比

仿真得到的牵引电机转速如图9所示,0.9s之前,电机处于加速启动阶段,等到电机平稳运行后,在1.1s接入负载,电机以855r/min的速度平稳运行。通过实测得到的电机平稳运行时的转速为894r/min。仿真得到的电机输出转矩的变化情况如图10所示,其平稳运行时的输出转矩在470N.m上下浮动,实际测量得到的电机转矩为486N.m。仿真得到的电机输出功率的变化情况如图11所示,其平稳运行时的功率在42kW上下浮动,实际测量得到的功率为48kW。

 

 

 

牵引变流器的输出电流中包含大量谐波,这些谐波作用在三相线缆上容易形成天线效应,对外造成电磁干扰,此外谐波的大小主要由IGBT开关时产生的脉冲决定,分析输出电流谐波情况能够反映IGBT建模的精确程度,因此分析输出电流的谐波情况具有重要意义。提取牵引变流器平稳运行时的输出交流电流波形并作傅里叶变换,其谐波分析如图12所示。测量得到对应的交流输出电流,其谐波情况如图13所示。通过对比发现,仿真电流在基频30Hz处的幅值为125A,1kHz附近的谐波最大幅值约为10A,实测电流同样在30Hz与1kHz附近存在较高幅值,其中基波幅值约为125A,1kHz附近的谐波最大幅值约为13A。导致电流谐波幅值误差的主要原因是此仿真模型仅为变流传动模型,未考虑电路结构中的高频寄生参数,适当的寄生电感与寄生电容可构成谐振电路,导致电路发生谐振,谐振频率处的电流幅值变大。

 

   

   

通过对比仿真与实测得到的电机转速、输出功率、电机的转矩,并对输出电流进行谐波分析,验证了牵引变流模型的准确性,能够准确地模拟牵引变流器工作时的状态,并能保证仿真得到的电流谐波的误差在可接受范围内。

4  结论

完成了牵引变流器传导干扰模型变流电路部分的建模研究,并将实测数据与仿真结果进行对比,验证了模型的准确性。其中包含了传导干扰源IGBT的特征化建模,便于提高后期牵引变流器传导干扰模型的准确性。在本变流电路模型基础上建立起来的传导干扰模型,其主回路的波形既包括工作电流电压信号,又包括传导干扰信号,在实际中测量变流器主回路信号即可实现实测数据与仿真结果的对比,而不必使用LISN网络进行传导干扰的测量,避免了大功率变流设备传导干扰难以测量的问题。

参考文献:

    [1]孟进,马伟明,张磊,等. PWM变频驱动系统传导干扰的高频模型[J]. 中国电机工程学报,2008,28(15):141-146.

[2] 孟进,马伟明,张磊,潘启军,赵治华. 考虑PWM调制策略的逆变器共模和差模干扰源模型[J]. 电工技术学报,2007(12):92-97.

[3] Meng Jin, Ma Weiming. Power Converter EMI Analysis Including IGBT Nonlinear Switching Transient Model[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2006,53(5):1577-1583.

[4] Jin Meng, Weiming Ma, Qijun Pan, et al. Multiple slope switching waveform approximation to improve conducted EMI spectral analysis of power converters[J]IEEE Transon Electromagnetic Compatibility200648(4)742-751

[5] 安宗裕. 混合动力汽车直流电源变换系统传导电磁干扰分析与抑制研究[D]. 重庆大学,2014.

[6] Jaroslaw Luszcz. Modeling of Common Mode Currents Induced by Motor Cable in Converter Fed AC Motor Drive[C]. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2011:459-464.

[7] 沈卓轩,姜齐荣. 电力系统电磁暂态仿真IGBT详细建模及应用[J]. 电力系统自动化,2020,44(02):235-248.

 
 
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