王如蛟

(北京鐵路局　天津機(jī)務(wù)段， 天津 300230)

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HXD3型電力機(jī)車BC 06-Ⅰ型DC 110 V電源裝置異常電磁噪聲原因分析及解決方案

王如蛟

(北京鐵路局天津機(jī)務(wù)段， 天津 300230)

通過分析HXD3型電力機(jī)車BC 06-Ⅰ型DC 110 V電源裝置的工作原理，研究其工作電磁噪聲源及噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，提出解決電源裝置異常噪聲的有效解決方案。

BC 06-Ⅰ； DC 110 V電源裝置； 電磁噪聲

HXD3型電力機(jī)車BC 06-Ⅰ型DC 110 V電源裝置在為機(jī)車提供控制電源的同時承擔(dān)蓄電池充電功能，亦稱為蓄電池充電器(簡稱充電器)。該裝置由兩組完全相同且獨立工作的電源單元PSU1和PSU2組成，機(jī)車微機(jī)控制系統(tǒng)控制PSU1奇數(shù)日、PSU2偶數(shù)日交替循環(huán)工作，當(dāng)其中一組故障時系統(tǒng)自動切換到另一組繼續(xù)給機(jī)車控制系統(tǒng)供電，大大降低了因控制電源故障引起的機(jī)車行車事故。

1　問題的提出

HXD3型機(jī)車自2006年批量生產(chǎn)投入運用以來，已進(jìn)行了C4或者C5級修，在檢修中發(fā)現(xiàn)一些DC 110 V電源裝置工作時存在噪聲偏大的情況，甚至個別電源裝置發(fā)出刺耳的尖銳聲。機(jī)車乘務(wù)人員長時間工作在噪聲超標(biāo)的環(huán)境中，容易出現(xiàn)注意力分散、反應(yīng)遲鈍、工作效率下降等問題，不利于鐵路機(jī)車行車安全。下面從電源裝置的工作原理分析電磁噪聲產(chǎn)生的機(jī)理，提出降低噪聲的可行性措施，為機(jī)車乘務(wù)人員提供一個舒適的工作環(huán)境。

2　電源裝置的工作原理

DC 110 V電源裝置由電源輸入電路、預(yù)充電電路、輸出電路和控制電路構(gòu)成(見圖1)，額定電壓為 DC(750±75)V, 輸出電壓為DC (110±1.1)V, 額定功率 6.05 kW，采用強(qiáng)迫風(fēng)循環(huán)冷卻散熱。該裝置輸入電源來自機(jī)車輔助逆變器APU 的中間直流回路, 通過CTT接觸器選擇由APU1或APU2供電；預(yù)充電回路由CTT接觸器主觸頭、充電電阻 CHR 和可控硅 CHS構(gòu)成，CTT觸頭閉合后, 通過限流電阻對中間電容 FC1、 FC2進(jìn)行充電, 在其電壓達(dá)到一定值后, 導(dǎo)通 CHS, 將 CHR 短路, 完成預(yù)充電；輸出回路是整個裝置的核心部分，由4個IGBT全橋臂逆變器、 絕緣高頻變壓器 IST1和整流器 FR、電抗器 DCL1和電容 LC1構(gòu)成，控制回路由集成在控制基板上的電源模塊、CPU、DI/DO模塊、AI模塊及門極驅(qū)動模塊等組成，CPU控制門極驅(qū)動模塊驅(qū)動IGBT實施頻率固定為6 kHz脈寬調(diào)制輸出單相脈沖交流電源，經(jīng)高頻變壓器、整流器和濾波后輸出DC 110 V電源。

圖1　電源裝置電路圖

3　噪聲產(chǎn)生的機(jī)理分析

為了查找電源裝置噪聲源，在電源裝置檢修性能試驗中用分貝儀測量柜體內(nèi)部各處的噪聲分布情況。通過對57臺電源裝置噪聲測量，發(fā)現(xiàn)噪聲最大值均出現(xiàn)高頻變壓器IST附近，且分貝數(shù)隨電源裝置的負(fù)載增大而增加。電源裝置選用整體灌裝式和普通式兩種型式的高頻變壓器(見圖2)。

圖2　高頻電壓器

統(tǒng)計滿載時最大噪聲分貝數(shù)的分布情況如下：無低于80 dB情況，25臺電源裝置噪聲為(80～90) dB，均為裝用整體灌裝式高頻變壓器；26臺電源裝置噪聲為(90～100) dB，6臺電源裝置噪聲大于100 dB，最高達(dá)到107.2 dB，超過90 dB的電源裝置均是裝用普通式高頻變壓器,變壓器繞組表面絕緣涂層存在不同程度的起皮、脫落現(xiàn)象。

對于絕緣高頻變壓器而言，噪聲產(chǎn)生的來源有以下3類：

(1)硅鋼片的磁致伸縮引起的鐵芯振動；

(2)硅鋼片接縫處和疊片間，因磁通穿過片間而產(chǎn)生的電磁力引起的振動；

(3)負(fù)載電流通過繞組時，因漏磁通在繞組導(dǎo)體間產(chǎn)生的電磁力引起繞組的振動。

3.1變壓器結(jié)構(gòu)對電磁噪聲的影響

硅鋼片產(chǎn)生的磁致伸縮是變壓器噪聲的最主要根源。磁致伸縮通常以ε表示，其等于勵磁時硅鋼片片長的增量 △l與片長l之比， 即ε=△l/l。

試驗研究表明，硅鋼片的磁致伸縮與ε硅鋼片的材質(zhì)、表面的絕緣涂層、含硅量 、磁通密度、磁力線與硅鋼片壓延方向的夾角以及硅鋼片受到的機(jī)械應(yīng)力等因素有關(guān)。

整體灌裝式變壓器是在普通變壓器的基礎(chǔ)上進(jìn)行絕緣塑封而成的，較普通式變壓器具有較好的鐵芯和線圈夾緊固定作用，能夠有效抑制硅鋼片和線圈的振動引起的噪聲。

3.2電源品質(zhì)對噪聲的影響

高頻變壓器IST輸入電壓為IGBT全橋臂逆變器逆輸出脈沖電壓(見圖3)，根據(jù)傅里葉變換，該電壓可以等效為由一系列的正弦電源的疊加，即

u(t)=4Um(sinωt+1/3sin3ωt+1/5sin5ωt+…)/π。

其中Um為脈沖電壓幅值，ω=2πf,f脈沖電壓頻率，為6 kHz。

圖3　輸出脈沖電壓

由于諧波電壓的存在，會引起附加的鐵芯磁滯伸縮效應(yīng)和漏磁引起的鐵芯振動和線圈振動，一定程度上增強(qiáng)電磁噪聲，且頻率越高，噪聲越明顯。

4　解決方案

為了有效控制或降低電源裝置工作電磁噪聲、消除異常電磁噪聲，需要從制定合理的電磁噪聲標(biāo)準(zhǔn)和采取降低電磁噪聲兩方面綜合治理。

4.1制定合理的電磁噪聲標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)HXD3型機(jī)車司機(jī)室噪聲不得高于70 dB設(shè)計要求，考慮到電源裝置安裝在機(jī)械室內(nèi)及其電磁噪聲傳播到司機(jī)室的衰減程度，制定電源裝置工作時最大噪聲不大于90 dB。通過檢修實踐驗證執(zhí)行此標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足司機(jī)室噪聲低于70 dB的要求。

4.2降低電磁噪聲的措施

(1)在高頻變壓器的輸入端并聯(lián)諧波濾波器。根據(jù)高頻變壓器噪聲的產(chǎn)生的機(jī)理可知，過濾掉輸入諧波可以有效降低電磁噪聲。鑒于此高頻變壓器的輸入諧波為基波的奇數(shù)倍正弦波，3倍頻諧波占比成分較大，故可采用LC濾波器過濾掉3倍頻(18 kHz)的諧波。

(2)普通式高頻變壓器進(jìn)行更換或浸漆處理。對于電磁噪聲(90～95) dB普通式變壓器可采用真空浸漆工藝能夠填充線圈之間的間隙，提高絕緣強(qiáng)度和降低線圈漏磁通振動引起的噪聲，實踐證明可以有效降低5～8 dB；對于電磁噪聲超過95 dB的普通式高頻變壓器更換為整體灌裝式變壓器處理。

5　結(jié)束語

通過對電源裝置電磁噪聲產(chǎn)生機(jī)理的分析，從制定電磁噪聲標(biāo)準(zhǔn)和抑制電磁噪聲兩個方面入手，通過檢修實踐證明，本文中所制動的標(biāo)準(zhǔn)和解決方案有效降低了電磁噪聲，不僅提高了電源裝置檢修質(zhì)量，還解決了因噪聲問題引起的檢修超工時問題，有效地降低了檢修成本。

[1]張曙光. HXD3型電力機(jī)車[M]. 北京:中國鐵道出版社，2010.

[2]蔣長慶，朱伯銘.關(guān)于變壓器噪聲的分析及其降低方法[J].南京師大學(xué)報(自然科學(xué)版),1995,18(2):19-21，31.

Reason Analysis and Solution of Abnormal Electromagnetic Noise for BC 06-ⅠType 110 V DC Power Supply Device on HXD3 Electric Locomotive

WANG Rujiao

(Tianjin Locomotive Depot, Beijing Railway Bureau, Tianjin 300230, China)

By analyzing the working principle of BC 06-Ⅰtype 110 V power supply device of HXD3 electric locomotive, the electromagnetic noise source and mechanism of noise generation is studied, and the effective solution is put forward.

BC 06-Ⅰ; 110 V DC; power supply device; electromagnetic noise

1008-7842 (2016) 01-0070-02

??)男，工程師(

2015-08-07)

U264.6

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.17