尹楠方, 張健穹, 李相強(qiáng), 王慶峰

(西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610031)

0 引 言

目前我國大部分電力機(jī)車都采用(insulated gate bipolar transistor,IGBT)牽引變流器。 IGBT 在工作過程中產(chǎn)生的較高的電壓電流變化率,會(huì)對牽引變流器自身及周邊電力電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。有研究表明,在IGBT模塊開關(guān)的瞬間,可以用高頻電流信號(hào),體現(xiàn)牽引系統(tǒng)的工作狀態(tài)［1］。針對動(dòng)車組牽引變流系統(tǒng)電磁干擾建模的研究,相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不完善［2］,需要對于動(dòng)車牽引系統(tǒng)傳導(dǎo)電流進(jìn)行監(jiān)測試驗(yàn)。牽引系統(tǒng)傳導(dǎo)電流監(jiān)測帶寬寬,平坦度要求高,高頻信號(hào)幅值較小,監(jiān)測點(diǎn)位置狹小。針對牽引系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾電流的監(jiān)測需求,此處基于電流探頭的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 牽引系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾電流分析

圖1為動(dòng)車牽引系統(tǒng)差模傳導(dǎo)干擾的耦合路徑,IGBT的快速通斷在變流器的輸入輸出側(cè)產(chǎn)生差模傳導(dǎo)電流。在牽引系統(tǒng)的工作回路中存在有濾波環(huán)節(jié),但當(dāng)差模電流頻率較高時(shí),由于電容器的等效電阻和等效電感的作用,此時(shí)濾波環(huán)節(jié)性能變差,并不能完全濾除諧波信號(hào)和高頻電流信號(hào),從而導(dǎo)致工作回路中存在大量諧波及高頻差模傳導(dǎo)電磁干擾。

圖1 差模傳導(dǎo)EMI耦合路徑

通過對于牽引系統(tǒng)的仿真,可以得到了系統(tǒng)輸入輸出測線纜高頻傳導(dǎo)電流時(shí)頻域以及諧波干擾,仿真結(jié)果顯示干擾電流最小為毫安。依據(jù)系統(tǒng)仿真結(jié)果和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［3］,確定了電流監(jiān)測頻帶在20 Hz～100 MHz,探頭的平坦帶寬在150 kHz～100 MHz;由于定制采集時(shí)域信號(hào)采集設(shè)備的靈敏度較低,電流探頭傳輸阻抗要高于10 dBΩ,最大監(jiān)測電流為100 A。

2 電流探頭等效電路模型分析

圖2為電流探頭的集總電路模型。圖2中:L0為繞組自感;R0為繞線的自電阻;C0為探頭的寄生電容。

圖2 電流探頭集總電路型

電流探頭的阻抗為［4］:

(1)

其中:

(2)

(3)

電流探頭的磁芯效率較高,k近似為1。電流探頭的傳輸阻抗Zt0為:

(4)

傳輸阻抗浮動(dòng)范圍在平坦度范圍內(nèi)的帶寬邊界頻率被稱為上下限頻率,分別為f1、f2。被測電流頻率在小于下限頻率時(shí),探頭的傳輸阻抗是近似線性變化:

Zt=jωM

(5)

下限頻率為:

(6)

上限頻率為:

(7)

對于電流探頭而言,C0由電流探頭匝間電容C1與繞線和外殼之間的分布電容C2構(gòu)成。

(8)

(9)

式中:ε0為真空介電常數(shù),ε0=8.854 187 817×10-12F/m;l為單匝繞線長度;s為繞線之間的間距;h為銅線圓心到外殼的間距;a為線徑。

C1、C2與C0正相關(guān),C1、C2的增大都會(huì)使C0增大,同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電流探頭的上限頻率下降,影響探頭的高頻性能。

3 電流探頭理論分析與仿真設(shè)計(jì)

3.1 磁芯的分析

磁芯的有效磁路長度le為:

le=π(r1+r2)

(10)

式中:r1,r2為磁環(huán)的內(nèi)外半徑,磁芯尺寸直接影響了探頭的尺寸。開氣隙后磁環(huán)的有效磁導(dǎo)率u1為:

(11)

式中:lg為氣隙寬度;μr為磁芯相對磁導(dǎo)率;μ0為真空磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7N/A2。磁環(huán)開氣隙可以防止探頭在工作中磁飽和［5］。通過式(11)可知,在材料受環(huán)境因素相對磁導(dǎo)率發(fā)生變化時(shí),開氣隙可以減小磁環(huán)的有效磁導(dǎo)率的變化,保證傳輸阻抗曲線的穩(wěn)定。

磁芯使用材料為PC40,相對磁導(dǎo)率為2 300,根據(jù)尺寸要求選擇磁環(huán)尺寸為內(nèi)徑52 mm,外徑76 mm,厚20 mm。為了保持磁導(dǎo)率穩(wěn)定,氣隙選擇為0.2 mm。

3.2 繞組的分析與設(shè)計(jì)

3.2.1 繞線匝數(shù)

依據(jù)GB/T 6113.101要求［6］,探頭在監(jiān)測頻帶內(nèi)的阻抗最小值要大于1 mΩ。結(jié)合式(4)、式(5)可知,匝數(shù)N需滿足以下要求:

(12)

(13)

求得繞線匝數(shù)應(yīng)15.81≥N≥10.579;繞線匝數(shù)越少,分布電容越小,因此把探頭的饒線匝數(shù)定為11匝。

3.2.2 繞線方式對于探頭傳輸阻抗的影響

對于繞線匝數(shù)較少的電流探頭,繞線方式需要考慮的變量是匝間度數(shù)和繞制段數(shù),不考慮分層繞制。電流探頭繞線模型如圖3所示,匝間距θ,繞制段數(shù)為2段,段與段之間夾角為180°。

圖3 電流探頭繞線模型

對于不同的幾種繞線方式進(jìn)行仿真,得到不同繞組方式的傳輸阻抗曲線如圖4所示。

圖4 不同繞制法電流探頭傳輸阻抗曲線

由仿真結(jié)果可知:單段繞制時(shí),繞組匝間距減小時(shí),傳輸阻抗曲線整體上移,上限頻率下降;匝間距較大時(shí),繞組存在漏感現(xiàn)象,導(dǎo)致傳輸阻抗值偏低;當(dāng)匝間距較小時(shí),匝間寄生電容增大,導(dǎo)致傳輸阻抗上限頻率下降。分段繞制法與同匝間距的不分段繞制相比,傳輸阻抗差別不明顯。探頭繞制方式定為單段均勻繞制11匝,每匝之間的角度差為20°。

3.2.3 線徑對于探頭傳輸阻抗的影響

繞線線徑影響電流探頭最大監(jiān)測電流。線徑越粗,可通過電流越大,被檢測電流閾值也就越大;繞線線徑對于寄生電容也存在影響,線徑越粗,寄生電容越大,會(huì)導(dǎo)致上限頻率下降;因此,在滿足最大監(jiān)測電流的情況下,繞線線徑越細(xì)越好。在工作帶寬內(nèi),要求最大監(jiān)測電流為Im。則繞線需要承受的最大電流Imax為:

(14)

最大監(jiān)測電流要滿足100 A,結(jié)合繞線的耐受能力,選擇繞線線徑為1 mm。

3.3 外殼的分析與設(shè)計(jì)

3.3.1 耦合縫對于探頭阻抗的影響

電流探頭外殼沒有開縫或者開縫較小時(shí),由于電流的渦流效應(yīng),交變磁場在外殼上產(chǎn)生渦流,渦流對于被測導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場會(huì)發(fā)生屏蔽。當(dāng)開縫較大時(shí),外殼屏蔽對于電場性能變差;被監(jiān)測線纜對外激發(fā)的電場,以及監(jiān)測點(diǎn)外部復(fù)雜電磁環(huán)境,都會(huì)導(dǎo)致電流探頭的檢測結(jié)果會(huì)出現(xiàn)誤差。對不同開縫大小的電流探頭進(jìn)行仿真,輸出結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同寬度耦合縫探頭傳輸阻抗曲線

圖5中:2 ～12 mm對應(yīng)阻抗曲線重疊。由此可見,在沒有外部場的情況下,2～12 mm之間開縫的大小對于探性能并沒有影響。實(shí)際情況中必須要考慮外部場的作用,以及探頭在測量時(shí)候被監(jiān)測線纜的位置所帶來的影響,選擇耦合縫寬度為2 mm,探頭的抗干擾能力更強(qiáng)。

3.3.2 銅線到外殼的距離對于探頭阻抗的影響

銅線到外殼的距離越大,探頭的寄生電容越小,越利于提升上限頻率;而銅線到外殼之間間距變大,會(huì)導(dǎo)致漏磁增加,平坦度下降,探頭的尺寸變大,內(nèi)徑變小。通過電磁仿真軟件對不同繞線到外殼之間的間距大小的探頭進(jìn)行仿真,輸出結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同間距電流探頭傳輸阻抗曲線

由仿真結(jié)果可知,間距在4～9 mm之間時(shí),傳輸阻抗曲線穩(wěn)定,隨著間距增大,上限頻率隨之增大。通過三維仿真,間距設(shè)置為4 mm及以上時(shí),電流探頭傳輸阻抗上限頻率大于100 MHz,為了防止間隙過大造成漏磁,設(shè)置銅線到外殼之間的距離為4 mm。

3.4 電流探頭校準(zhǔn)夾具設(shè)計(jì)

電流探頭校準(zhǔn)夾具主要分為外殼和中心導(dǎo)體兩部分結(jié)構(gòu),中心導(dǎo)體連接N型接頭和50 Ω負(fù)載［7］。外殼的尺寸與電流探頭尺寸相關(guān),外殼與探頭間距較小。中心導(dǎo)體與電流探頭內(nèi)壁形成的同軸結(jié)構(gòu),特性阻抗為50 Ω。

(15)

式中:Z為傳輸阻抗;μ、ε為中心導(dǎo)體與探頭之間填充材料的磁導(dǎo)率和介電常數(shù);r為電流探頭的內(nèi)徑;d為中心導(dǎo)體的直徑。

由于中心導(dǎo)體一端與N型頭的相連,兩者直徑差別巨大,為了避免階梯電容,兩者通過錐形結(jié)構(gòu)相連,如圖7所示。校準(zhǔn)夾具外殼兩側(cè)金屬板也要開錐形孔。金屬板與錐形結(jié)構(gòu)形成同軸結(jié)構(gòu),也要滿足特性阻抗為50 Ω。

圖7 中心導(dǎo)體模型

(16)

4 試驗(yàn)測試

4.1 校準(zhǔn)夾具駐波比測試

使用設(shè)備是AgilentE5061B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,連接方式如圖8所示,測量S11。通過計(jì)算得到駐波比曲線如圖9所示。

圖8 校準(zhǔn)夾具性能測試圖

圖9 校準(zhǔn)夾具駐波比測試曲線

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的下限頻率在100 kHz,該頻率之下,夾具駐波比一定小于100 kHz頻點(diǎn)駐波比,因此100 kHz頻率以下不再進(jìn)行測量。ISO11452-4要求校準(zhǔn)夾具駐波比應(yīng)小于1.2。由圖9可知,在100 MHz頻率時(shí)駐波比為1.15,小于1.2,因此該校準(zhǔn)夾具在監(jiān)測頻帶內(nèi)滿足要求。

4.2 傳輸阻抗曲線測試

因?yàn)殡娏魈筋^的工作頻率較寬,受限于設(shè)備的工作帶寬,因此采用兩種方法測量傳輸阻抗。頻率在100 kHz以下,使用示波器法測試電流探頭傳輸阻抗曲線。使用設(shè)備為:泰克AFG31152信號(hào)發(fā)生器;示波器TBS1102B,通道負(fù)載設(shè)置為50 Ω;CP0030A靈敏探頭,連接方式如圖10所示。利用信號(hào)發(fā)生器向傳感器待測電路注入不同頻率的正弦波通過測量電流探頭輸出電壓,靈敏探頭輸出電壓。傳輸阻抗等于輸出電壓比靈敏探頭測得電流。

圖10 示波器測試法測試圖

頻率在100 kHz以上時(shí)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量,使用設(shè)備是AgilentE5061B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,連接方式如圖11所示［8-9］。端口1連接校準(zhǔn)夾具,端口2連接電流探頭,測得S21參數(shù)再加上34 dBΩ(50 Ω)即為探頭的傳輸阻抗。

圖11 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試法測試圖

綜合兩種方法的測試結(jié)果,得到電流探頭傳輸阻抗曲線,如圖12所示。

圖12 電流探頭傳輸阻抗曲線

由傳輸阻抗測試曲線可以看出,電流探頭達(dá)到了牽引系統(tǒng)傳導(dǎo)電流監(jiān)測指標(biāo)要求。

4.3 大電流信號(hào)實(shí)測

為了驗(yàn)證監(jiān)測寬頻大電流信號(hào)下電流探頭磁芯是否飽和,搭建測試電路,如圖13所示。使用設(shè)備為:電流源、信號(hào)發(fā)生器和示波器。電流源輸出大電流,信號(hào)發(fā)生器求輸出高頻mA級(jí)弱電流,電流探頭輸出端連接示波器,更改信號(hào)發(fā)生器信號(hào)頻率重復(fù)多次試驗(yàn)。圖14為同時(shí)注入100 A電流和1 MHz的1 mA電流時(shí)電流探頭輸出結(jié)果。

圖13 大電流測試連接圖

圖14 電流探頭實(shí)測信號(hào)輸出圖

從試驗(yàn)結(jié)果來看,在注入100 A電流信號(hào)時(shí),磁芯不飽和,探頭性能保持穩(wěn)定,探頭仍然具備準(zhǔn)確識(shí)別電流信號(hào)的能力。

5 結(jié)束語

本文利用集總電路分析了電流探頭傳輸阻抗特性,為電流探頭設(shè)計(jì)提供理論依據(jù);分析了磁芯,繞線和外殼的設(shè)計(jì)對于傳輸阻抗的影響;通過理論推算與仿真結(jié)合的方法,求得滿足條件的繞線的最少匝數(shù),從而獲得較大的傳輸阻抗值;并設(shè)計(jì)校準(zhǔn)夾具測試出電流探頭的傳輸阻抗曲線。設(shè)計(jì)出的電流探頭傳輸阻抗達(dá)到14 dBΩ,帶寬平坦度在150 kHz～100 MHz,平坦度等于3 dB,可為牽引系統(tǒng)傳導(dǎo)電流干擾在線監(jiān)測提供支撐。