余　俊， 陸　陽， 陳　波

(1　北京縱橫機電技術開發(fā)公司， 北京 100094；2　中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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牽引變流器電磁干擾優(yōu)化研究

余俊1， 陸陽2， 陳波2

(1北京縱橫機電技術開發(fā)公司， 北京 100094；2中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

牽引變流器作為軌道車輛主要的電磁干擾發(fā)射源，對電磁干擾機理進行研究并對其進行試驗驗證，有利于優(yōu)化整車電磁兼容性能。本文介紹了變流器電磁干擾發(fā)射機理，分析了變流器電磁干擾的抑制方法，并通過試驗驗證了電力電纜屏蔽以及箱體屏蔽對變流器電磁干擾的優(yōu)化效果，為整車電磁兼容設計提供設計以及整改參考。

牽引變流器； 電磁干擾； 電磁屏蔽

牽引變流器作為軌道車輛主要的電磁干擾發(fā)射源，對電磁干擾機理進行研究并對其進行試驗驗證，有利于優(yōu)化整車電磁兼容性能。

1　牽引變流器電磁干擾發(fā)射機理

1.1電磁干擾

任何一個電磁干擾的發(fā)生，都要有電磁干擾源、傳播途徑、接收體3個條件[1]。電磁干擾按照傳播路徑又可分為傳導干擾和輻射干擾(見圖1)。傳導干擾是通過電源線、信號和控制線以及天線端口等接口進行傳播的。電場或磁場輻射干擾經(jīng)空間傳播，通過電磁感應作用于接收體。傳導干擾和輻射干擾都可能會引起設備性能的降低。

1.2變流器電磁干擾機理分析

在電力電子變流裝置發(fā)射的電磁干擾不僅來自半導體開關器件的瞬態(tài)通斷過程，也來自電力電子變流裝置的電力電纜對外部,也來自電力電纜對外部的發(fā)射，圖2為變流器裝車拓撲圖。

圖1　電磁干擾分類

1.2.1變流器開關器件的電磁干擾

IGBT等開關器件在接通和關斷中，由于電流和電壓在短時間發(fā)生跳變，產(chǎn)生高dv/dt和di/dt，從而形成電磁干擾[2]。主要包括：(1)電壓跳變會在電容上產(chǎn)生很大的充電和放電電流，實際驅(qū)動電路和主電路會存在

圖2　變流器裝車拓撲圖

雜散的分布電容，1nF電容就可以產(chǎn)生幾安培的電流瞬態(tài)脈沖。(2)開關器件在通斷瞬間會在雜散電感上產(chǎn)生感應電壓，較大的電流環(huán)路會形成一個發(fā)射源，對空間產(chǎn)生輻射電磁場。(3)逆變器開關中形成的PWM波形除了有用的基波之外，還含有大量的高次諧波，目前逆變器開關頻率從幾千赫茲到幾百千赫茲，諧波頻率從幾千赫茲到幾兆赫茲。由于高次諧波存在，PWM信號也會對周圍的設備產(chǎn)生輻射影響。(4)控制電路輸出的高頻脈沖時鐘波形也會產(chǎn)生一定的電磁干擾(見圖3)。

圖3　IGBT開通和關斷暫態(tài)過程波形

1.2.2變流器電力電纜的電磁干擾

牽引變流器包括整流器和逆變器以及中間直流環(huán)節(jié)(見圖4)。整流器通過變壓器側(cè)電力電纜與變壓器連接。逆變器通過電機側(cè)電力電纜與電機連接。變流器電力電纜上通過電壓可變、電流可變且頻率可變的電能，勢必會在電纜上產(chǎn)生電場和磁場向車內(nèi)空間或車外空間輻射。此外，因變流器IGBT開關通斷產(chǎn)生的高次諧波通過電力電纜傳導，也會在電纜上激勵電磁場。IEC 62236-3-2:2008[3]已明確指出：限制設備的傳導發(fā)射可以防止過度輻射發(fā)射。

圖4　牽引變流器基本組成

1.3變流器電磁干擾的抑制

軌道交通行業(yè)應用的變流器產(chǎn)生的電磁干擾主要分布在1 GHz以下[4]，在此頻段內(nèi)包括了部分軌道電路通訊頻率、AM調(diào)幅廣播通訊、FM調(diào)頻廣播通訊、電視信號、對講機頻率、GSM手機通訊頻率。變流器又是機車車輛及動車組的主要電磁發(fā)射源，所以對其電磁干擾進行抑制，可有效提高機車車輛及動車組的電磁兼容性能。

目前，對變流器電磁干擾抑制的方法包括：濾波、屏蔽、接地以及優(yōu)化控制算法等。其中，濾波一般采用在元器件關斷時并聯(lián)電容抑制du/dt或在元器件采用串聯(lián)電感抑制電流di/dt。這種濾波措施一般在變流器設計之初就已經(jīng)考慮。而當變流器裝車后發(fā)生電磁干擾異常的情況時，一般采用在輸入輸出電纜套入磁環(huán)的方法，往往能得到很好的電磁干擾抑制效果。但是，考慮到機車車輛運行環(huán)境，磁環(huán)的安裝一定程度上會影響接線端子的強度和使用壽命，同時，磁環(huán)也是一種脆性材料，一旦發(fā)生應變斷裂，如果無相應的保護措施，可能會影響正常行車。

屏蔽應當是抑制變流器裝車后電磁干擾最經(jīng)濟可行的措施。針對牽引變流器，可采取變流器箱體電磁屏蔽以及電力電纜電磁屏蔽的方法。對于低頻交變磁場，可采用鐵鎳合金等高磁導率材料，構(gòu)成磁力線的低磁阻通路，大部分磁場被封裝在屏蔽體內(nèi)。對于高頻磁屏蔽，屏蔽罩采用鋁或銅等高電導率的良導電材料，考慮到趨膚效應，還可以采用金屬銀鍍層，利于產(chǎn)生渦流，屏蔽效果好。

2　牽引變流器對外射頻騷擾試驗

美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)，美國國家標準學會(ANCI)，國際電工委員會(IEC)，國際無線電干擾委員會(CISPR)出臺相關標準，容許用電磁屏蔽半電波暗室替代開闊試驗場進行EMC測試。

GB 24338.3要求整車采用開闊場10 m法進行測量，對牽引變流器整機不要求進行對外射頻騷擾試驗，只需在裝車后進行整車射頻發(fā)射測試。為獲取單體牽引變流器對外輻射數(shù)據(jù)，在封閉的交流傳動試驗室對牽引變流器帶負載運行所產(chǎn)生的輻射進行了測試。

考慮到電磁屏蔽和六面墻體的反射疊加，此次交流傳動試驗室牽引變流器對外射頻騷擾試驗結(jié)果比標準要求的10 m法開闊場測試結(jié)果偏大。但不影響采取整改措施前后的數(shù)據(jù)對比和效果分析。

2.1試驗依據(jù)

EN 50121-3-1-2006《軌道交通電磁兼容第3-1 部分：機車車輛列車和整車》。

EN 50121-2-2006《軌道交通電磁兼容第2部分 鐵路系統(tǒng)對外部的發(fā)射》。

2.2試驗條件

試驗對象：牽引變流器；

試驗地點：中國鐵道科學研究院東郊分院交流傳動國家重點試驗室；

試驗狀態(tài)：運行；

其他要求：試驗場地應足夠大，以便在規(guī)定距離處安放天線，并保證天線與牽引變流器之間的間隔。原則上測量點與牽引變流器的間距為10 m，某些工況如不能滿足距離條件，應保證間距為3 m。為了排除環(huán)境噪聲的影響，將記錄試驗開始前和結(jié)束后的環(huán)境噪聲，應保證環(huán)境噪聲電平至少比評判標準規(guī)定限值低6 dB，同時測試網(wǎng)壓、網(wǎng)流、電機電壓電流、速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

2.3試驗方法

在距牽引變流器10 m的位置，架設測試天線，測試牽引變流器于牽引、再生制動工況產(chǎn)生的9 kHz～1 GHz對外部的射頻騷擾。

牽引變流器運行前完成架設測試天線，牽引變流器分別以靜置、牽引、再生制動工況進行測試，交流傳動試驗臺記錄網(wǎng)壓、網(wǎng)流、電機電壓電流、電機速度、電機轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

(1)靜態(tài)工況

牽引變流器應通電，但不啟動牽引電機。

(2)慢行工況

牽引變流器控制電機模擬動車組以50±10 km/h運行，陪侍牽引變流器調(diào)節(jié)陪試電機提供被試電機最大牽引或電制力1/3的負載轉(zhuǎn)矩。

牽引變流器連線方式分為兩種：

(1)使用普通電纜；

(2)使用屏蔽電纜。

分別在這兩種連線方式下進行測量，見圖5，圖6。

圖5　測試天線(環(huán)形天線)、EMI接收機擺放與線路相對位置

圖6　測試天線(對數(shù)周期天線、雙錐天線)EMI接收機擺放與線路相對位置

如采用3 m法測量，應按照公式進行折算：

E10=Ex+20nln(D/10)

E10為10 m法測量值，Ex為實際測量距離D m的值，n為換算系數(shù),見表1。

表1　換算系數(shù)表

3　屏蔽電纜對牽引變流器電磁輻射的優(yōu)化

3.1電機側(cè)采用屏蔽電纜

電機側(cè)采用屏蔽電纜后，150 kHz～1 GHz頻段優(yōu)化效果不明顯。9～150 kHz低頻段射頻干擾有10～20 dB的優(yōu)化效果(電纜布線圖見圖7、圖8，優(yōu)化結(jié)果見圖9～圖10)。

圖7　無屏蔽電纜

圖8　有屏蔽電纜

圖9　9～59 kHz的射頻騷擾優(yōu)化效果

圖10　50～150 kHz的射頻騷擾優(yōu)化效果

3.2變壓器側(cè)采用屏蔽電纜(見圖11～圖16)

變壓器側(cè)采用屏蔽電纜后， 射頻發(fā)射改善良好的頻段包括150 kHz～1.15 MHz、1～11 MHz、10～20 MHz、20～30 MHz、30～230 MHz。

其中，150kHz～1.15MHz,10～20MHz、30～230 MHz優(yōu)化效果最明顯，部分頻率有15～30 dB的改善效果。

圖11　屏蔽電纜截面圖

圖12　變壓器側(cè)電纜安裝圖

圖13　150 kHz～1.15 MHz的射頻騷擾優(yōu)化效果

圖14　1～11 MHz的射頻騷擾優(yōu)化效果

圖15　10～10MHz的射頻騷擾優(yōu)化效果

圖16　30～230 MHz的射頻騷擾優(yōu)化效果

4　箱體屏蔽對牽引變流器電磁輻射的優(yōu)化(圖17～圖18)

變流器進出線口采用雙面導電的鋁箔，且保證鋁箔能與接地螺栓連接。對比整改前后的數(shù)據(jù)，在30～230 MHz頻段內(nèi)，射頻發(fā)射有2～5 dB的優(yōu)化效果。

圖17　進出線口加鋁箔屏蔽的施工圖

圖18　30～230 MHz的射頻騷擾優(yōu)化效果(加鋁箔)

5　結(jié)束語

軌道車輛對外電磁干擾的發(fā)射強度是否滿足現(xiàn)行國際及國家標準的規(guī)定，一方面直接影響到我國動車組對外出口，另一方面影響動車組的安全可靠運行。變流器作為主要電磁干擾發(fā)射源，對電磁干擾機理進行研究并對其進行試驗驗證，有利于優(yōu)化整車電磁兼容性能。介紹了變流器電磁干擾發(fā)射機理，分析了變流器電磁干擾的抑制方法，并通過試驗驗證了電力電纜屏蔽以及箱體屏蔽對變流器電磁干擾的優(yōu)化效果，為整車電磁兼容設計提供設計參考。

[1]單秦. 動車組電力電子技術基礎[M].北京交通大學出版社，2013.

[2]孟進.基于IGBT開關暫態(tài)過程建模的功率變流器電磁干擾頻譜估計[J].中國電機工程學報,2005(10)16-18.

[3]IEC 62236-3-2:2008 軌道交通-電磁兼容-第3-2部分：機車車輛-設備[S].

[4]Ade Ogunsola.Electromagnetic Compatibility in Railways: Analysis and Management[M]. Springer-Verlag，2012.

[5]EN 50121-3-1-2006《軌道交通電磁兼容第3-1 部分：機車車輛列車和整車》.

[6]EN 50121-2-2006《軌道交通電磁兼容第2部分 鐵路系統(tǒng)對外部的發(fā)射》.

Research on the EMI Optimization of Traction Converter

YUJun1,LUYang2,CHENBo2

(1Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100094, China; 2Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract: Traction converter was an important EMI-emitting source of rolling stock. Researching on EMI principle was conductive to optimize EMC compatibility of rolling stock. EMI principle of traction convert is introduced in this article. EMI governance methods were analyzed. Moreover, power cable shielding and cabinet shielding were beneficial for EMI optimization. This article provides advices of EMC design and summarizes the methods of Rectification.

traction converter; EMI; electromagnetic shielding

1008-7842 (2016) 04-0092-05

男，工程師(

2015-12-18)

U264.3+7

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.23