动车组牵引系统传导干扰电流监测探头的设计

尹楠方, 张健穹, 李相强, 王庆峰

(西南交通大学 物理科学与技术学院,四川 成都 610031)

0 引 言

目前我国大部分电力机车都采用(insulated gate bipolar transistor,IGBT)牵引变流器。 IGBT 在工作过程中产生的较高的电压电流变化率,会对牵引变流器自身及周边电力电子设备产生严重的电磁干扰。有研究表明,在IGBT模块开关的瞬间,可以用高频电流信号,体现牵引系统的工作状态［1］。针对动车组牵引变流系统电磁干扰建模的研究,相关试验数据并不完善［2］,需要对于动车牵引系统传导电流进行监测试验。牵引系统传导电流监测带宽宽,平坦度要求高,高频信号幅值较小,监测点位置狭小。针对牵引系统传导干扰电流的监测需求,此处基于电流探头的原理进行设计。

1 牵引系统传导干扰电流分析

图1为动车牵引系统差模传导干扰的耦合路径,IGBT的快速通断在变流器的输入输出侧产生差模传导电流。在牵引系统的工作回路中存在有滤波环节,但当差模电流频率较高时,由于电容器的等效电阻和等效电感的作用,此时滤波环节性能变差,并不能完全滤除谐波信号和高频电流信号,从而导致工作回路中存在大量谐波及高频差模传导电磁干扰。

图1 差模传导EMI耦合路径

通过对于牵引系统的仿真,可以得到了系统输入输出测线缆高频传导电流时频域以及谐波干扰,仿真结果显示干扰电流最小为毫安。依据系统仿真结果和相关标准［3］,确定了电流监测频带在20 Hz～100 MHz,探头的平坦带宽在150 kHz～100 MHz;由于定制采集时域信号采集设备的灵敏度较低,电流探头传输阻抗要高于10 dBΩ,最大监测电流为100 A。

2 电流探头等效电路模型分析

图2为电流探头的集总电路模型。图2中:L0为绕组自感;R0为绕线的自电阻;C0为探头的寄生电容。

图2 电流探头集总电路型

电流探头的阻抗为［4］:

(1)

其中:

(2)

(3)

电流探头的磁芯效率较高,k近似为1。电流探头的传输阻抗Zt0为:

(4)

传输阻抗浮动范围在平坦度范围内的带宽边界频率被称为上下限频率,分别为f1、f2。被测电流频率在小于下限频率时,探头的传输阻抗是近似线性变化:

Zt=jωM

(5)

下限频率为:

(6)

上限频率为:

(7)

对于电流探头而言,C0由电流探头匝间电容C1与绕线和外壳之间的分布电容C2构成。

(8)

(9)

式中:ε0为真空介电常数,ε0=8.854 187 817×10-12F/m;l为单匝绕线长度;s为绕线之间的间距;h为铜线圆心到外壳的间距;a为线径。

C1、C2与C0正相关,C1、C2的增大都会使C0增大,同时会导致电流探头的上限频率下降,影响探头的高频性能。

3 电流探头理论分析与仿真设计

3.1 磁芯的分析

磁芯的有效磁路长度le为:

le=π(r1+r2)

(10)

式中:r1,r2为磁环的内外半径,磁芯尺寸直接影响了探头的尺寸。开气隙后磁环的有效磁导率u1为:

(11)

式中:lg为气隙宽度;μr为磁芯相对磁导率;μ0为真空磁导率,μ0=4π×10-7N/A2。磁环开气隙可以防止探头在工作中磁饱和［5］。通过式(11)可知,在材料受环境因素相对磁导率发生变化时,开气隙可以减小磁环的有效磁导率的变化,保证传输阻抗曲线的稳定。

磁芯使用材料为PC40,相对磁导率为2 300,根据尺寸要求选择磁环尺寸为内径52 mm,外径76 mm,厚20 mm。为了保持磁导率稳定,气隙选择为0.2 mm。

3.2 绕组的分析与设计

3.2.1 绕线匝数

依据GB/T 6113.101要求［6］,探头在监测频带内的阻抗最小值要大于1 mΩ。结合式(4)、式(5)可知,匝数N需满足以下要求:

(12)

(13)

求得绕线匝数应15.81≥N≥10.579;绕线匝数越少,分布电容越小,因此把探头的饶线匝数定为11匝。

3.2.2 绕线方式对于探头传输阻抗的影响

对于绕线匝数较少的电流探头,绕线方式需要考虑的变量是匝间度数和绕制段数,不考虑分层绕制。电流探头绕线模型如图3所示,匝间距θ,绕制段数为2段,段与段之间夹角为180°。

图3 电流探头绕线模型

对于不同的几种绕线方式进行仿真,得到不同绕组方式的传输阻抗曲线如图4所示。

图4 不同绕制法电流探头传输阻抗曲线

由仿真结果可知:单段绕制时,绕组匝间距减小时,传输阻抗曲线整体上移,上限频率下降;匝间距较大时,绕组存在漏感现象,导致传输阻抗值偏低;当匝间距较小时,匝间寄生电容增大,导致传输阻抗上限频率下降。分段绕制法与同匝间距的不分段绕制相比,传输阻抗差别不明显。探头绕制方式定为单段均匀绕制11匝,每匝之间的角度差为20°。

3.2.3 线径对于探头传输阻抗的影响

绕线线径影响电流探头最大监测电流。线径越粗,可通过电流越大,被检测电流阈值也就越大;绕线线径对于寄生电容也存在影响,线径越粗,寄生电容越大,会导致上限频率下降;因此,在满足最大监测电流的情况下,绕线线径越细越好。在工作带宽内,要求最大监测电流为Im。则绕线需要承受的最大电流Imax为:

(14)

最大监测电流要满足100 A,结合绕线的耐受能力,选择绕线线径为1 mm。

3.3 外壳的分析与设计

3.3.1 耦合缝对于探头阻抗的影响

电流探头外壳没有开缝或者开缝较小时,由于电流的涡流效应,交变磁场在外壳上产生涡流,涡流对于被测导线产生的磁场会发生屏蔽。当开缝较大时,外壳屏蔽对于电场性能变差;被监测线缆对外激发的电场,以及监测点外部复杂电磁环境,都会导致电流探头的检测结果会出现误差。对不同开缝大小的电流探头进行仿真,输出结果如图5所示。

图5 不同宽度耦合缝探头传输阻抗曲线

图5中:2 ～12 mm对应阻抗曲线重叠。由此可见,在没有外部场的情况下,2～12 mm之间开缝的大小对于探性能并没有影响。实际情况中必须要考虑外部场的作用,以及探头在测量时候被监测线缆的位置所带来的影响,选择耦合缝宽度为2 mm,探头的抗干扰能力更强。

3.3.2 铜线到外壳的距离对于探头阻抗的影响

铜线到外壳的距离越大,探头的寄生电容越小,越利于提升上限频率;而铜线到外壳之间间距变大,会导致漏磁增加,平坦度下降,探头的尺寸变大,内径变小。通过电磁仿真软件对不同绕线到外壳之间的间距大小的探头进行仿真,输出结果如图6所示。

图6 不同间距电流探头传输阻抗曲线

由仿真结果可知,间距在4～9 mm之间时,传输阻抗曲线稳定,随着间距增大,上限频率随之增大。通过三维仿真,间距设置为4 mm及以上时,电流探头传输阻抗上限频率大于100 MHz,为了防止间隙过大造成漏磁,设置铜线到外壳之间的距离为4 mm。

3.4 电流探头校准夹具设计

电流探头校准夹具主要分为外壳和中心导体两部分结构,中心导体连接N型接头和50 Ω负载［7］。外壳的尺寸与电流探头尺寸相关,外壳与探头间距较小。中心导体与电流探头内壁形成的同轴结构,特性阻抗为50 Ω。

(15)

式中:Z为传输阻抗;μ、ε为中心导体与探头之间填充材料的磁导率和介电常数;r为电流探头的内径;d为中心导体的直径。

由于中心导体一端与N型头的相连,两者直径差别巨大,为了避免阶梯电容,两者通过锥形结构相连,如图7所示。校准夹具外壳两侧金属板也要开锥形孔。金属板与锥形结构形成同轴结构,也要满足特性阻抗为50 Ω。

图7 中心导体模型

(16)

4 试验测试

4.1 校准夹具驻波比测试

使用设备是AgilentE5061B矢量网络分析仪,连接方式如图8所示,测量S11。通过计算得到驻波比曲线如图9所示。

图8 校准夹具性能测试图

图9 校准夹具驻波比测试曲线

矢量网络分析仪的下限频率在100 kHz,该频率之下,夹具驻波比一定小于100 kHz频点驻波比,因此100 kHz频率以下不再进行测量。ISO11452-4要求校准夹具驻波比应小于1.2。由图9可知,在100 MHz频率时驻波比为1.15,小于1.2,因此该校准夹具在监测频带内满足要求。

4.2 传输阻抗曲线测试

因为电流探头的工作频率较宽,受限于设备的工作带宽,因此采用两种方法测量传输阻抗。频率在100 kHz以下,使用示波器法测试电流探头传输阻抗曲线。使用设备为:泰克AFG31152信号发生器;示波器TBS1102B,通道负载设置为50 Ω;CP0030A灵敏探头,连接方式如图10所示。利用信号发生器向传感器待测电路注入不同频率的正弦波通过测量电流探头输出电压,灵敏探头输出电压。传输阻抗等于输出电压比灵敏探头测得电流。

图10 示波器测试法测试图

频率在100 kHz以上时使用矢量网络分析仪测量,使用设备是AgilentE5061B矢量网络分析仪,连接方式如图11所示［8-9］。端口1连接校准夹具,端口2连接电流探头,测得S21参数再加上34 dBΩ(50 Ω)即为探头的传输阻抗。

图11 矢量网络分析仪测试法测试图

综合两种方法的测试结果,得到电流探头传输阻抗曲线,如图12所示。

图12 电流探头传输阻抗曲线

由传输阻抗测试曲线可以看出,电流探头达到了牵引系统传导电流监测指标要求。

4.3 大电流信号实测

为了验证监测宽频大电流信号下电流探头磁芯是否饱和,搭建测试电路,如图13所示。使用设备为:电流源、信号发生器和示波器。电流源输出大电流,信号发生器求输出高频mA级弱电流,电流探头输出端连接示波器,更改信号发生器信号频率重复多次试验。图14为同时注入100 A电流和1 MHz的1 mA电流时电流探头输出结果。

图13 大电流测试连接图

图14 电流探头实测信号输出图

从试验结果来看,在注入100 A电流信号时,磁芯不饱和,探头性能保持稳定,探头仍然具备准确识别电流信号的能力。

5 结束语

本文利用集总电路分析了电流探头传输阻抗特性,为电流探头设计提供理论依据;分析了磁芯,绕线和外壳的设计对于传输阻抗的影响;通过理论推算与仿真结合的方法,求得满足条件的绕线的最少匝数,从而获得较大的传输阻抗值;并设计校准夹具测试出电流探头的传输阻抗曲线。设计出的电流探头传输阻抗达到14 dBΩ,带宽平坦度在150 kHz～100 MHz,平坦度等于3 dB,可为牵引系统传导电流干扰在线监测提供支撑。