机车用50kVAIGBT逆变器的电磁兼容性设计0路面机械

机车用50kVAIGBT逆变器的电磁兼容性设计

机车用50kVAIGBT逆变器的电磁兼容性设计 2011年12月09日 来源： 分类号：TM461　　　文献标识码：A文章编号：0258-8013 (2000) 05-0034-0350kVA IGBT INVERTER DESIGN FORLOCOMOTIVE IN CONSIDERATION OF EMSZHENG Qiong-lin, HAO Rong-tai(Northern Jiaotong University, Beijing 100044,China)ABSTRACT：The auxiliary IGBT Inverter rated 50kVA was designed to replace the GTO inverter which equipped to Electric Locomotive. The design of EMC considerations such as the configuration optimum, grounding, earthing, shielding and snubbing technique are presented. The experimental result shows that only a capacitor with low inductance is applicable as a snubber for IGBT invertors rated 50kVA.KEY WORDS：IGBT inverter； EMC； snubber 1　引言　　我国韶山型电力机车辅助系统采用异步旋转劈相机方式把单相交流电变为三相交流电，给各种辅助电机供电。80年代中期从欧洲引进的电力机车，其辅助系统首次应用电力电子技术，采取交直交方式把单相交流电变为三相交流电。由于运行条件恶劣，其中的可关断晶闸管(GTO)逆变器机组运行故障频繁，以至于国产电力机车借鉴国外先进技术用交直交静止劈相机来代替旋转劈相机的愿望未能实现［1］。本文经过深入现场测试分析，认为GTO逆变器机组运行故障主要由电磁干扰引起。电磁干扰的作用形态虽然分为串模干扰和共模干扰两种形态，但就其研究方式来说是一样的，都是从干扰源、传播途径和接受体三个方面来研究［2］。电力电子装置内产生的di/dt和dv/dt的元器件的形状和结构都很复杂，相当于一些形状复杂的天线；另外，电力机车内除了电力电子装置外，还有原边电压为27kV(25kV～29kV变化)的主变压器和各种断路器、接触器和继电器等有触点开关，因此要从干扰源上来消除电磁干扰是很困难的，有的甚至是不可能的。本文针对电力机车的特点，从电磁干扰的传播途径和接受体两个方面采取措施，比如控制电路滤波器，系统接地、屏蔽，驱动电路引线和主电路汇流排减少电感，还有逆变器的吸收电路等方面的电磁兼容性角度考虑，设计了电力机车用的50kVA绝缘栅双极晶体管(IGBT)辅助逆变器，取代故障频繁的机车上原GTO逆变器，于1996年10月装车运行。至今已装车100多台，运行状况都很好。2年多的运行证明，50kVA等级的IGBT逆变器的吸收电路只需无感电容器即可。2　IGBT逆变器控制电路　　根据运营部门要求，新研制的IGBT辅助逆变器必须能够与原GTO逆变器完全互换。控制电路由控制板和驱动板2块PCB组成，背靠背安装在控制电路支架板的两边，通过插针和插孔进行电气连接，如图1所示。控制板的作用是把±24V电源变为控制板和驱动板所需的的各路电源，接受电力机车电子柜发来的信号并进行处理，同时检测处理各种保护信号。驱动板的作用是接受控制板来的IGBT导通、关断信号，经整形并相应发出导通脉冲及维持通态电压，或发出关断脉冲及维持断态反压；以上IGBT器件故障及逆变器短路故障的检测与保护。图1　IGBT逆变器控制电路的安装Fig.1　Control board layout of IGBT inverter for locomotive use2.1　控制电路电源的抗干扰设计　　控制板上有一开关电源，把±24V电压变为相互隔离的5V、±15V、15V和－10V电压。经测量，电力机车控制用电源上的干扰电压尖峰有时高达1000V以上。为尽量减少电磁干扰从±24V电源线窜入控制板其他电压电源，采取了两种措施。一是在±24V电源线上接入电源滤波器，二是对开关电源变压器采取双层屏蔽［2，3］。其中电源滤波器的去常模干扰部分采用了双L型滤波。 经上海三基电子公司的ENS-24XA高频噪声模拟器［4］(High Frequency Noise Simulator)测试，当±24V电源侧注入幅值为2000V、脉宽为50～1000ns、频率为30～100Hz的矩形波高频噪声时，控制电路能正常工作。2.2　控制电路PCB线路设计　　印刷电路板(PCB)通常在玻璃环氧基板上粘合一层铜箔，铜箔的厚度通常有18μm 、35μm、55μm和70μm4种［2，4］。最常用的铜箔厚度是35μm。如果PCB上铜箔厚度是35μm，印制线宽1mm，则每10mm长，其电阻值为5mΩ左右，其电感量为4nH左右。当PCB上数字集成电路芯片工作的di/dt为6mA/ns，工作电流为30mA时，每10mm长的印制线所含电阻值和电感值来估算电路各部分所产生的噪声电压分别为0.15mV和24mV。比较这两部分噪声电压可以清楚地看到，印制线电感成分所产生的噪声电压要比电阻成分所产生的噪声电压大几百倍。因此，PCB线路设计很重要，因为电阻因素可以忽略，电感因素不能忽略。为了减少PCB本身的干扰和外部对PCB的干扰，本文控制电路PCB的线路

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