地铁车辆牵引逆变器共模电压抑制研究

地铁车辆牵引逆变器共模电压抑制研究

徐践 殷国辉

沈阳地铁集团有限公司运营分公司 辽宁 沈阳 110000

摘要：地铁车辆牵引逆变器共模电压会导致电机绝缘轴承内外圈的轴电压过大，其电压会击穿绝缘油膜，致使绝缘失效，引起轴承电蚀，从而严重影响了车辆安全运行。

关键词：地铁车辆；牵引逆变器；共模电压

当前，几乎所有地铁车辆变频器都采用脉宽调制(PWM)技术来改变变频器输出波形。与其他控制形式变频器相比，PWM技术能降低牵引电机谐波损耗，减小转矩脉动，简化逆变器结构，提高系统响应时间。然而，由于PWM脉冲的固有特性，输出电压在很短时间内快速变化。基于此，本文详细探讨了地铁车辆牵引逆变器共模电压抑制。

一、共模电压概述

共模电压(common mode voltage):在每一导体和所规定的参照点之间(往往是大地或机架)出现的相量电压的平均值。或同时加在电压表两测量端和规定公共端之间的那部分输入电压。共模电压会使电路的工作点发生变化，输出电压的动态范围减小，若共模电压三极管极电流过大还会烧坏三极管。

二、牵引逆变器的发展概述

在地铁车辆牵引电气系统中，牵引变流器主要应用于直交变流系统，用于地铁的是直交逆变系统，牵引逆变器是城市轨道交通车辆的心脏，其性能能保证城市轨道交通车辆的运行性能和质量。牵引逆变器电力电子器件从半控型晶闸管、全控型晶闸管直接到绝缘门极双极型晶体管、作为电压驱动的全控型开关器件，IGBT脉冲开关具有很高的频率、较好的性能，而且其损耗和自保护能力优异。无论对运输部门还是制造商，IGBT变流器都具有低成本和高效率特点，不仅如此，其可靠性和可用性都能得到保证，并在整个牵引传动领域中起到主导作用。牵引逆变器不仅要满足地铁的运行速度，还要满足其运行工况。其站间距离短，能在地下隧道运行，运行安全性很有保证，不仅部件的可靠性能得到保证，其故障运行能力也能保证地铁在出现故障时运行到车辆维修厂。电传动系统装置尽可能的轻量化，并具有很好的过载能力，能保证在高峰期也难能持续运行。电力电子技术发展促进了现代牵引电传动技术的发展，其控制方式经历了凸轮调阻、斩波调压和调频调压三大方式。目前，采用VVVF交流传动系统的地铁已被广泛应用。

三、牵引逆变器原理

作为牵引逆变器技术设计首要环节，电路原理设计具有重要意义。以功率等级、输入电压电流值及输出电流电压值等已知参数为依据，科学计算未知参数，合理设计主电路与控制电路原理。在确定电路原理基础上，以实际参数为指导，科学选择器件，包括支撑电容、IGBT、熔断器、电抗器及变压器等。理论计算是计算主电路参数和关键部件选型的第一步，主要涉及IGBT电压电流计算和电感电容参数计算等。

由于工程应用计算与实际参数存在偏差，属于不可避免的问题，因此，需开展电气部件仿真工作。同时，为提高仿真有效性，应尽可能选择与实际情况相符的模型，通过简化复杂过程方式，提高仿真效率。

四、共模电压产生机理

在地铁列车牵引系统中，逆变器允许8种开关状态，此时电机三相绕组的中性点将具有共模电压，即逆变器输出零序电压，共模电源大小如式(1)所示。

(1)

式中：Vcm为共模电压；Vu、Vv、Vw是牵引电机三相相电压。

根据式(1)，共模电压由逆变器中开关管所有允许导通状态确定，能得到三相逆变器八种导通状态下的共模电压值。

常规空间电压矢量调制（SVPWM）方法将逆变器八种开关状态对应的三相电压转换为电压空间矢量，空间由六个非零矢量划分为六个扇区，并在划分扇区下计算相邻电压矢量作用时间。第一扇区对应矢量作用时间计算公式如式(2)所示。

(2)

式中：T₁和T₂是向量V₁和V₂作用时间；T₀是零矢量V₀和V₇作用时间；m_a为调制因子；T_s是调制周期。

五、共模电压抑制方法

如上所述，共模电压峰值V_dc/2矢量处于V₀及V₇零矢量状态，因此，通过避免在调制期间使用零矢量状态，能将共模电压峰值降到V_dc/6。当前，非零矢量调制方法包括RSPWM、AZSPWM1、AZSPWM3。其中，RSPWM使用固定矢量V₁、V₃和V₅(或V₂、V₄和V₆)不同组合来合成参考电压矢量V_ref；AZSPWM1用其他六个开关状态等效替换零开关状态。例如，V₀或V₇被V₁V₄、V₂V₅、V₃V₆替换，所以AZSPWM1参考电压由四种不同开关矢量组成。AZSPWM3用三种电压状态矢量来合成参考电压。

当RSPWM用V₁、V₃和V₅进行矢量合成时，每个电压矢量作用时间如式(3)所示。

(3)

式中：T₁、T₃和T₅是矢量V₁、V₃和V₅作用时间。

公式(4)给出了第一扇区AZSPWM1调制策略的电压矢量作用时间。

(4)

式中：T₁和T₂是矢量V₁、V₂作用时间；T₀是零矢量V

₃和V₆作用时间，V₃和V₆作用时间相同，均为T₀/2。

式(5)给出了第一扇区AZSPWM3调制策略的电压矢量作用时间。

(5)

式中：T₁、T₂、T₄为矢量V₁、V₂、V₄作用时间。

六、共模电压抑制仿真

由于RSPWM调制策略直流利用率低，无法满足地铁车辆VVVF需求，因此，为研究无零矢量控制策略特性，本文对SVPWM、AZSPWM1、AZSPWM3三种控制策略进行仿真。

在Matlab/Simulink中建立了共模电压开环仿真模型。根据某地铁4号线VVVF资料，主电路设为两电平逆变电路，参数为：直流母线电压1500V，开关频率500Hz。

在Matlab/Simulink中，控制策略实现步骤是：①输入正弦调制波作为参考矢量，对调制波进行abc到αβ坐标转换。②坐标变换后，αβ坐标判断参考矢量扇区。③计算参考矢量所在扇区两种矢量和零矢量(或替换矢量)对应的作用时间。

仿真得到的四种控制策略共模电压为：SVPWM调制策略共模电压峰值为750V，AZSPWM1及AZSPWM3控制策略共模电压峰值为250V。因此，无零矢量控制策略能将共模电压峰值降至传统SVPWM调制方式的三分之一，有效降低共模电压。

设定输出线电压为50Hz，则输出线电压为：SVPWM调制策略线电压THD为4.25%，AZSPWM1调制策略线电压THD为25.57%，SVPWM调制策略线电压THD为24.68%。结果表明，在SVPWM调制下，线电压谐波含量较低，而在无零矢量控制策略下，谐波含量较大，AZSPWM1和AZSPWM3谐波含量基本相同。

七、结论

通过对SVPWM、RSPWM、AZSPWM1、AZSPWM3四种控制策略原理的分析，以及对SVPWM、AZSPWM1和AZSPWM3仿真分析，得出如下结论：

1、理论分析表明，与传统SVPWM控制策略相比，RSPWM、AZSPWM1、AZSPWM3三种无零矢量控制策略能将牵引逆变器共模电压幅值从V_dc/2降到V_dc/6，仿真结果表明，AZSPWM1、AZSPWM3控制策略能有效抑制牵引逆变器共模电压问题，进而抑制牵引电机轴承电蚀问题，然而，RSPWM直流电压利用率低，在实际应用中很少使用。

2、AZSPWM1、AZSPWM3控制策略高于SVPWM输出线电压谐波，虽能有效抑制共模电压，但会降低输出电能质量。

参考文献：

[1]徐殿国.PWM变频器输出共模电压及其抑制技术的研究[J].中国电机工程学报，2016(09).

[2]井宇航.地铁车辆牵引逆变器共模电压抑制研究[J].电力机车与城轨车辆,2020(04).