牵引变流器的EMC建模与仿真

陈蒙，李东辉，李常贤

(1.大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028；2.大连交通大学 动车运用与维护工程学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

电磁兼容(Electromagnetic compatibility, EMC)是指设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能同时执行各自功能的共存状态[1].它的含义包括两个方面：一是设备在其所处的电磁环境中工作时，自身不会因为受到其它设备电磁骚扰而产生不允许的降级；二是自身产生的电磁骚扰不会对处于同一电磁环境中的其它设备造成不可接受的影响.电子技术的发展已经使电子设备深入到工作、生活的各个领域中，电磁兼容问题也日益成为人们关注的焦点[2]，变流器的EMC研究属于电力电子系统的EMC范畴，随着电力电子器件向着高频化、大容量化发展，其带来的电磁干扰(Electromagnetic interference，EMI)问题也越来越突出，电磁干扰又包含了传导电磁干扰和辐射电磁干扰，近年来，有诸多国内外学者和科研机构对变流器系统的EMC建模仿真问题进行了研究，文献[3]对逆变器系统的传导电磁干扰进行了研究，建立了逆变器系统的简单等效模型，分析了噪声产生和传播机理，并进行了实验验证，但模型的准确度较低，仅有几MHz左右.文献[4]中，通过与传统的buck电路相比，得到单相逆变器的传导电磁干扰模型，这种方法相对比较容易理解，且能保证一定的精度，但是应用到三相逆变器中有一定的困难.文献[5]中提到通过简化的模型来预测传导电磁干扰，相对于通过物理模型或者通过开关动作等效解析模型建模的方法要简便得多，仿真时间也较短，但是这种建模方法仿真准备时间较长，不适用于较大系统变流器的建模.与传导干扰相比，变流器系统辐射干扰更为复杂，目前研究的也较少，随着我国铁路事业的快速发展，电气化铁路的电磁辐射干扰问题也日益突出，牵引变流器作为轨道交通车辆的主要电磁辐射干扰源，还需进行更多的研究.

本文主要对轨道车辆牵引变流器的辐射干扰进行建模仿真，通过对牵引变流器的分析，首先对其机械结构进行了简化，再依据各模块不同的电磁骚扰强度和频率，设计出了适当的辐射源模型，最后结合实测的电流电压数据添加激励源仿真出电磁场的辐射分布.

1 牵引变流器的电磁兼容建模

牵引变流器模型较为复杂，柜体本身及其内部包含大量细小部件和设计细节以保证它的机械性能，而对于电磁场仿真来说，这些细节并不会对仿真结果产生过大影响，且会增加网格的剖分数量[6]，导致仿真时间过长甚至是电脑崩溃无法仿真，事实上，只要简化是合理的，所得到的仿真结果完全可以满足我们对所求解的问题要求.牵引变流器的电磁兼容建模包含两个方面：机械结构的简化和辐射源模型的提取.

1.1 牵引变流器机械结构的简化

牵引变流器模型的简化原则是既要体现牵引变流器的基本特征，又能在满足研究需要的前提下减少计算量，对复杂模型的简化如下：

(1)牵引变流器中的非金属结构不会影响其电磁场的分布，建模时可直接忽略;

(2)牵引变流器中插座等微小结构体，其对电磁场分布的影响在可以忽略的范围内，会增加剖分网格的数量进而增加计算量，可直接略去;

(3)牵引变流器外壳孔洞是电磁泄露的主要途径，建模时按照其实际的位置和大小对其保留.简化后的牵引变流器模型如图1.

图1 牵引变流器简化模型

1.2 牵引变流器辐射源模型的提取

牵引变流器的电磁骚扰主要来自开关半导体器件工作时的瞬态通断产生的高频谐波和线缆的对外辐射[7]，本文主要针对这两方面进行建模仿真，由于在牵引变流器工作时，其内部线缆和器件会产生明显的天线效应，电磁波通过介质向外辐射，因此，仿真时辐射源采用天线模型.

1.2.1 线缆的辐射模型

牵引变流器中的线缆主要有两种：电源线和信号线.线缆产生的辐射机理也有两种：差模辐射和共模辐射，其中，共模辐射是线缆产生电磁辐射的主要来源，建模时采用单极天线作为辐射模型，单极天线形式是只有一根金属导体，另一根金属导体由大地或附近的其他大型金属物充当，它是电偶极天线的一种变形，电流对外产生的电磁辐射可认为是由若干个电偶极子共同作用的结果[8],在P点产生的辐射总场应为所有电偶极子产生辐射电场的叠加，如图2所示，即：

(1)

图2 线缆的辐射模型

1.2.2 开关器件的辐射模型

图3(a)、3(b)分别为某型号牵引变流器的整流电路和逆变电路，电路由功率器件和线缆组成[9]，工作时，由于IGBT的高频通断，电路中存在高频电流环路，构成电流环辐射天线，对空间形成电磁辐射，小电流环的远区场为(η=120π(Ω))

(2)

式中，A0=πa2，为圆环面积.辐射模型如图4.

(a)整流模块电路原理图

(b)逆变模块电路原理图

图4 电路的辐射模型

电路区域内多环路、多干扰源，可以采用电磁学等效原理中的面等效原理来简化辐射源，设计天线时，使环形天线面积与电路的封闭区域面积相等，又因为Maxwell方程是线性方程组，满足叠加定理，所以让环形天线的个数与场源的个数相等，对各个场源同时进行辐射模拟，得出的电磁场云图就是叠加后的电磁场分布图.

2 牵引变流器的电磁兼容仿真

本文仿真采用ANSYS公司全频段电磁场仿真工具HFSS(High Frequency Structure Simulator).

2.1 仿真设置

(1)求解器设置

仿真选用瞬态求解器(HFSS Transient)，仿真时可直接在辐射源上添加实测或仿真得到的激励电流或电压来模拟瞬态电磁场的分布.

(2)材料属性设置

牵引变流器的仿真模型被简化之后，保留的部分主要由金属材料组成，变流器的外壳为相对介电常数εr=1，电导率σ=3.8×107S/m的铝制材料；顶盖是相对磁导率μr=1，电导率σ=1.1×106S/m的不锈钢材料；内部辐射源模型(天线模型)的材料为铜，其相对介电常数εr=1，相对磁导率μr=0.999 991.其余部分如线槽等分别按照实际情况设置材料.

(3)边界条件设置

牵引变流器的金属顶盖满足有限导体边界条件，设为有限导体边界；变流器的壳体排列有整齐的通风口，电磁能量将会穿过通风口向外部辐射，通风口也具有天线效应，设置成理想磁边界条件；仿真时，在牵引变流器外围建立一个长方体的求解域将其包围起来，求解域的材料属性设置为空气，求解域的底面设置为理想导体边界并延伸为无限大来模拟大地，为了模拟出开放的表面，求解域其余的面设为辐射边界.

(4)激励源设置

各辐射模型的激励电流、电压可通过现场实测或Matlab仿真得到.因为求解器选用的是瞬态求解器，所以可直接添加时域激励波形到辐射模型上.

(5)求解精度和网格剖分

求解精度(收敛误差)对软件仿真结果的准确性有着直接影响，一方面，求解精度越高(收敛误差设置的越小)，计算结果越准确.然而，另一方面，求解精度越高意味着迭代次数越多，剖分的网格就越多，仿真时间会因为计算量的增加而变长，过大的计算量甚至会导致电脑崩溃无法仿真.本次仿真采用系统默认误差的1/2，设置为0.05(系统默认误差为0.1)，计算机内存可满足仿真条件，且结果符合要求.网格剖分采用HFSS的自适应网格剖分技术.网格剖分结果如图5.

图5 仿真模型的自适应网格剖分图

2.2 仿真结果

本次仿真模拟牵引变流器以30%功率运行时求解域内的电磁场分布情况，在模型求解域中，每个横截面长为9 m，宽为2.5 m，图6为0.5 s时求解域截面上的电场分布云图，从图中可以看出电场分布与辐射源的位置有关，距离辐射源越近电场强度越高，在牵引变流器内部电场强度达到2.5 V/m随着辐射源距离的增加，电场强度逐渐衰减，最终趋近于零.

图6 求解域内截面上电场分布云图

图7为牵引变流器以30%额定功率运行时，在10 m处测得的电场(150～1.15 kHz)辐射发射曲线,可以看出，在830 kHz处和1.03 MHz处的值分别为52 dBμA/m和47 dBμA/m，超过了整车辐射发射的限值.把激励源通过MATLAB进行傅里叶变换转换成时域信号，分别对830 kHz和1.03MHz频点的信号进行仿真.图8为830 kHz的磁场辐射图，从图中可以看出最大值为5.275 5×10-4A/m，换算成对数单位为54 dBμA/m；图9为1.03 MHz的磁场辐射图，从图中可以看出最大值为2.9810×10-4A/m，换算成对数单位为49 dBμA/m，仿真结果与实测出的数据基本吻合，对于预测牵引变流器的电磁辐射有一定的参考价值.

图7 牵引变流器30%功率运行时测试波形

图8 830 kHz的磁场辐射

图9 1.03 MHz的磁场辐射

3 结论

系统级的电磁兼容是一个很复杂的问题[10]，目前还没有针对牵引变流器系统进行EMC建模的统一方法.本文首先对变流器复杂的机械结构进行了简化，然后针对变流器内部的主要干扰源：线缆和整流、逆变电路给出了相应的天线辐射模型，得出了以下结论：

(1)对牵引变流器的机械结构进行合理的简化会大大提高仿真效率且对电磁场的分布造成的影响在可接受的范围内，简化方法具有通用性，可以用于不同型号的变流器;

(2)以往对牵引变流器EMC问题的研究多是从分析其电磁骚扰来源，如何抑制其产生的电磁干扰的角度出发，并没有给出电磁场分布图.本文提出了一种牵引变流器整体EMC建模仿真的方法，给出了电磁场分布云图，仿真结果更加直观;

(3)仿真使用HFSS自带的瞬态求解器，时域的激励波形可直接添加到辐射模型上，可实时掌握电磁场的分布情况;

(4)通过对变流器电磁场分布的仿真，在产品设计之初就可以对其EMC特性进行优化.