碳化硅牵引变流器共模干扰抑制装置及抑制装置设计方法与流程

本发明涉及轨道交通，具体而言，涉及一种碳化硅牵引变流器共模干扰抑制装置及抑制装置设计方法。

背景技术：

1、碳化硅功率器件具有高温、高频和低损耗等优秀特性，并随着大功率碳化硅功率器件技术的发展，碳化硅功率器件在牵引变流器中的表现变得更加突出。碳化硅器件更快的开关速度和更快的开关频率也使得牵引变流器的电磁干扰问题更加严峻，其中共模干扰对牵引传动系统所造成的影响最为严重。过大的共模电压会导致电机轴承中的绝缘油膜击穿而引起轴承电蚀，严重危害列车的稳定安全运行。如何降低由于碳化硅牵引变流器中碳化硅功率器件开通和关断过程导致的共模干扰，是现有技术急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述背景技术中的至少一个技术问题，提出了一种碳化硅牵引变流器共模干扰抑制装置及抑制装置设计方法。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种碳化硅牵引变流器共模干扰抑制装置，该装置包括：第一共模滤波电感和第二共模滤波电感；所述碳化硅牵引变流器包括：四象限变流器和牵引逆变器，所述四象限变流器和所述牵引逆变器连接；

3、所述第一共模滤波电感的一端与所述四象限变流器的输入端口连接，另一端通过电缆与牵引变压器连接；

4、所述第二共模滤波电感的一端与所述牵引逆变器的输出端口连接，另一端通过电缆与牵引电动机连接。

5、可选的，所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感均为采用纳米晶铁芯的磁环电感。

6、可选的，所述四象限变流器和所述牵引逆变器均采用碳化硅功率器件。

7、可选的，所述四象限变流器的输入端口为单相输入端口，所述牵引逆变器的输出端口为三相输出端口。

8、为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种抑制装置设计方法，该方法包括：

9、建立所述碳化硅牵引变流器的共模等效电路模型；

10、根据所述共模等效电路模型确定未加装所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感的共模干扰的频谱；

11、根据未加装所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感的共模干扰的频谱、共模干扰需要抑制到的标准限值以及抑制裕量，确定插入损耗需求值；

12、根据所述插入损耗需求值以及所述碳化硅牵引变流器的负载共模阻抗，选取所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感的电感值；

13、基于选取的所述电感值，对加装所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感后的所述共模等效电路模型进行仿真计算，得到加装所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感后的共模干扰的频谱；

14、根据加装所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感后的共模干扰的频谱以及共模干扰需要抑制到的标准限值，确定是否需要重新选取所述电感值，若是，则重新选取所述电感值，若否，则设计结束。

15、可选的，所述抑制装置设计方法，还包括：

16、若不需要重新选取所述电感值，则根据所述电感值对所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感的参数进行设计，其中，所述参数具体包括：铁芯的材料、铁芯的有效截面积、线圈匝数、铁芯的外径、铁芯的内径以及铁芯的高度中的至少一种，在对所述参数进行设计时需要确保所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感的磁感应强度小于饱和磁感应强度。

17、可选的，所述共模等效电路模型，具体包括：牵引变压器的高频共模等效模型、连接牵引变压器与四象限变流器的电缆的高频共模等效模型、碳化硅功率器件的高频共模等效模型、连接牵引逆变器与牵引电动机的电缆高频共模等效模型、牵引电动机的高频共模等效模型、四象限变流器的共模电压源模型以及牵引逆变器的共模电压源模型。

18、可选的，根据所述插入损耗需求值以及所述碳化硅牵引变流器的负载共模阻抗，选取所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感的电感值，具体包括：

19、确定一条与所述插入损耗需求值相切的斜率为20分贝/十倍频程的直线，计算该直线与横坐标交点，交点为共模滤波电感转折频率；

20、根据所述共模滤波电感转折频率以及所述负载共模阻抗确定所述电感值。

21、可选的，根据未加装所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感的共模干扰的频谱、共模干扰需要抑制到的标准限值以及抑制裕量，确定插入损耗需求值，具体包括：

22、对未加装所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感的共模干扰的频谱、共模干扰需要抑制到的标准限值以及抑制裕量进行求和，得到插入损耗需求值。

23、可选的，所述负载共模阻抗，具体包括：牵引变压器阻抗、连接牵引变压器与四象限变流器的电缆阻抗、碳化硅功率器件对地阻抗、连接牵引逆变器与牵引电动机的电缆阻抗以及牵引电动机阻抗。

24、本发明的有益效果为：

25、本发明在碳化硅牵引变流器的整流侧和逆变侧同时插入共模滤波电感来抑制的共模干扰，实现了有效的降低碳化硅牵引变流器的共模干扰的有益效果。此外，本发明还提供一种抑制装置设计方法，该设计方法能够让所设计出的碳化硅牵引变流器共模干扰抑制装置更好满足实际共模干扰抑制需求，有助于提高降低共模干扰的效果。

技术特征：

1.一种碳化硅牵引变流器共模干扰抑制装置，其特征在于，包括：第一共模滤波电感和第二共模滤波电感；所述碳化硅牵引变流器包括：四象限变流器和牵引逆变器，所述四象限变流器和所述牵引逆变器连接；

2.根据权利要求1所述的碳化硅牵引变流器共模干扰抑制装置，其特征在于，所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感均为采用纳米晶铁芯的磁环电感。

3.根据权利要求1所述的碳化硅牵引变流器共模干扰抑制装置，其特征在于，所述四象限变流器和所述牵引逆变器均采用碳化硅功率器件。

4.根据权利要求1所述的碳化硅牵引变流器共模干扰抑制装置，其特征在于，所述四象限变流器的输入端口为单相输入端口，所述牵引逆变器的输出端口为三相输出端口。

5.一种抑制装置设计方法，其特征在于，用于对权利要求1至4任意一项所述的碳化硅牵引变流器共模干扰抑制装置进行设计，所述方法包括：

6.根据权利要求5所述抑制装置设计方法，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求5所述抑制装置设计方法，其特征在于，所述共模等效电路模型，具体包括：牵引变压器的高频共模等效模型、连接牵引变压器与四象限变流器的电缆的高频共模等效模型、碳化硅功率器件的高频共模等效模型、连接牵引逆变器与牵引电动机的电缆高频共模等效模型、牵引电动机的高频共模等效模型、四象限变流器的共模电压源模型以及牵引逆变器的共模电压源模型。

8.根据权利要求5所述抑制装置设计方法，其特征在于，根据所述插入损耗需求值以及所述碳化硅牵引变流器的负载共模阻抗，选取所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感的电感值，具体包括：

9.根据权利要求5所述抑制装置设计方法，其特征在于，根据未加装所述第一共模滤波电感和所述第二共模滤波电感的共模干扰的频谱、共模干扰需要抑制到的标准限值以及抑制裕量，确定插入损耗需求值，具体包括：

10.根据权利要求5所述抑制装置设计方法，其特征在于，所述负载共模阻抗，具体包括：牵引变压器阻抗、连接牵引变压器与四象限变流器的电缆阻抗、碳化硅功率器件对地阻抗、连接牵引逆变器与牵引电动机的电缆阻抗以及牵引电动机阻抗。

技术总结
本发明实施例公开了一种碳化硅牵引变流器共模干扰抑制装置及抑制装置设计方法，该碳化硅牵引变流器共模干扰抑制装置包括：第一共模滤波电感和第二共模滤波电感；所述碳化硅牵引变流器包括：四象限变流器和牵引逆变器，所述四象限变流器和所述牵引逆变器连接；所述第一共模滤波电感的一端与所述四象限变流器的输入端口连接，另一端通过电缆与牵引变压器连接；所述第二共模滤波电感的一端与所述牵引逆变器的输出端口连接，另一端通过电缆与牵引电动机连接。本发明实现了有效的降低碳化硅牵引变流器的共模干扰的有益效果。

技术研发人员：王永翔,崔冬冬,刘衎,马驰,谢望玉,李玉山,李瑮冉,赵雷廷,杨滨瑞,陈煌,孔令冲,刘睿超,陈钰洁,李思进,刘佳璐,李醒华,王天云,陈思默,张波,杨伟君,曹宏发,赵红卫,康晶辉
受保护的技术使用者：中国铁道科学研究院集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29