牽引變流器電磁干擾優(yōu)化研究

余　俊， 陸　陽(yáng)， 陳　波

(1　北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094；2　中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)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(yáng)2， 陳波2

(1北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100094；2中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)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(duì)電磁干擾機(jī)理進(jìn)行研究并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)理，分析了變流器電磁干擾的抑制方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了電力電纜屏蔽以及箱體屏蔽對(duì)變流器電磁干擾的優(yōu)化效果，為整車電磁兼容設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)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(duì)電磁干擾機(jī)理進(jìn)行研究并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)理

1.1電磁干擾

任何一個(gè)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(gè)條件[1]。電磁干擾按照傳播路徑又可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾(見圖1)。傳導(dǎo)干擾是通過(guò)電源線、信號(hào)和控制線以及天線端口等接口進(jìn)行傳播的。電場(chǎng)或磁場(chǎng)輻射干擾經(jīng)空間傳播，通過(guò)電磁感應(yīng)作用于接收體。傳導(dǎo)干擾和輻射干擾都可能會(huì)引起設(shè)備性能的降低。

1.2變流器電磁干擾機(jī)理分析

在電力電子變流裝置發(fā)射的電磁干擾不僅來(lái)自半導(dǎo)體開關(guān)器件的瞬態(tài)通斷過(guò)程，也來(lái)自電力電子變流裝置的電力電纜對(duì)外部,也來(lái)自電力電纜對(duì)外部的發(fā)射，圖2為變流器裝車拓?fù)鋱D。

圖1　電磁干擾分類

1.2.1變流器開關(guān)器件的電磁干擾

IGBT等開關(guān)器件在接通和關(guān)斷中，由于電流和電壓在短時(shí)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(huì)在電容上產(chǎn)生很大的充電和放電電流，實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路和主電路會(huì)存在

圖2　變流器裝車拓?fù)鋱D

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(guān)器件在通斷瞬間會(huì)在雜散電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，較大的電流環(huán)路會(huì)形成一個(gè)發(fā)射源，對(duì)空間產(chǎn)生輻射電磁場(chǎng)。(3)逆變器開關(guān)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(guān)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(hào)也會(huì)對(duì)周圍的設(shè)備產(chǎn)生輻射影響。(4)控制電路輸出的高頻脈沖時(shí)鐘波形也會(huì)產(chǎn)生一定的電磁干擾(見圖3)。

圖3　IGBT開通和關(guān)斷暫態(tài)過(guò)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(guò)變壓器側(cè)電力電纜與變壓器連接。逆變器通過(guò)電機(jī)側(cè)電力電纜與電機(jī)連接。變流器電力電纜上通過(guò)電壓可變、電流可變且頻率可變的電能，勢(shì)必會(huì)在電纜上產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)向車內(nèi)空間或車外空間輻射。此外，因變流器IGBT開關(guān)通斷產(chǎn)生的高次諧波通過(guò)電力電纜傳導(dǎo)，也會(huì)在電纜上激勵(lì)電磁場(chǎng)。IEC 62236-3-2:2008[3]已明確指出：限制設(shè)備的傳導(dǎo)發(fā)射可以防止過(guò)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(yīng)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(hào)、對(duì)講機(jī)頻率、GSM手機(jī)通訊頻率。變流器又是機(jī)車車輛及動(dòng)車組的主要電磁發(fā)射源，所以對(duì)其電磁干擾進(jìn)行抑制，可有效提高機(jī)車車輛及動(dòng)車組的電磁兼容性能。

目前，對(duì)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(guān)斷時(shí)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(shè)計(jì)之初就已經(jīng)考慮。而當(dāng)變流器裝車后發(fā)生電磁干擾異常的情況時(shí)，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(jī)車車輛運(yùn)行環(huán)境，磁環(huán)的安裝一定程度上會(huì)影響接線端子的強(qiáng)度和使用壽命，同時(shí)，磁環(huán)也是一種脆性材料，一旦發(fā)生應(yīng)變斷裂，如果無(wú)相應(yīng)的保護(hù)措施，可能會(huì)影響正常行車。

屏蔽應(yīng)當(dāng)是抑制變流器裝車后電磁干擾最經(jīng)濟(jì)可行的措施。針對(duì)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(duì)于低頻交變磁場(chǎng)，可采用鐵鎳合金等高磁導(dǎo)率材料，構(gòu)成磁力線的低磁阻通路，大部分磁場(chǎng)被封裝在屏蔽體內(nèi)。對(duì)于高頻磁屏蔽，屏蔽罩采用鋁或銅等高電導(dǎo)率的良導(dǎo)電材料，考慮到趨膚效應(yīng)，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(duì)外射頻騷擾試驗(yàn)

美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANCI)，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)，國(guó)際無(wú)線電干擾委員會(huì)(CISPR)出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，容許用電磁屏蔽半電波暗室替代開闊試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行EMC測(cè)試。

GB 24338.3要求整車采用開闊場(chǎng)10 m法進(jìn)行測(cè)量，對(duì)牽引變流器整機(jī)不要求進(jìn)行對(duì)外射頻騷擾試驗(yàn)，只需在裝車后進(jìn)行整車射頻發(fā)射測(cè)試。為獲取單體牽引變流器對(duì)外輻射數(shù)據(jù)，在封閉的交流傳動(dòng)試驗(yàn)室對(duì)牽引變流器帶負(fù)載運(yùn)行所產(chǎn)生的輻射進(jìn)行了測(cè)試。

考慮到電磁屏蔽和六面墻體的反射疊加，此次交流傳動(dòng)試驗(yàn)室牽引變流器對(duì)外射頻騷擾試驗(yàn)結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)要求的10 m法開闊場(chǎng)測(cè)試結(jié)果偏大。但不影響采取整改措施前后的數(shù)據(jù)對(duì)比和效果分析。

2.1試驗(yàn)依據(jù)

EN 50121-3-1-2006《軌道交通電磁兼容第3-1 部分：機(jī)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(duì)外部的發(fā)射》。

2.2試驗(yàn)條件

試驗(yàn)對(duì)象：牽引變流器；

試驗(yàn)地點(diǎn)：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院東郊分院交流傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室；

試驗(yàn)狀態(tài)：運(yùn)行；

其他要求：試驗(yàn)場(chǎng)地應(yīng)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(cè)量點(diǎn)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(yīng)保證間距為3 m。為了排除環(huán)境噪聲的影響，將記錄試驗(yàn)開始前和結(jié)束后的環(huán)境噪聲，應(yīng)保證環(huán)境噪聲電平至少比評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值低6 dB，同時(shí)測(cè)試網(wǎng)壓、網(wǎng)流、電機(jī)電壓電流、速度、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

2.3試驗(yàn)方法

在距牽引變流器10 m的位置，架設(shè)測(cè)試天線，測(cè)試牽引變流器于牽引、再生制動(dòng)工況產(chǎn)生的9 kHz～1 GHz對(duì)外部的射頻騷擾。

牽引變流器運(yùn)行前完成架設(shè)測(cè)試天線，牽引變流器分別以靜置、牽引、再生制動(dòng)工況進(jìn)行測(cè)試，交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)記錄網(wǎng)壓、網(wǎng)流、電機(jī)電壓電流、電機(jī)速度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等參數(shù)。

(1)靜態(tài)工況

牽引變流器應(yīng)通電，但不啟動(dòng)牽引電機(jī)。

(2)慢行工況

牽引變流器控制電機(jī)模擬動(dòng)車組以50±10 km/h運(yùn)行，陪侍牽引變流器調(diào)節(jié)陪試電機(jī)提供被試電機(jī)最大牽引或電制力1/3的負(fù)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(jìn)行測(cè)量，見圖5，圖6。

圖5　測(cè)試天線(環(huán)形天線)、EMI接收機(jī)擺放與線路相對(duì)位置

圖6　測(cè)試天線(對(duì)數(shù)周期天線、雙錐天線)EMI接收機(jī)擺放與線路相對(duì)位置

如采用3 m法測(cè)量，應(yīng)按照公式進(jìn)行折算：

E10=Ex+20nln(D/10)

E10為10 m法測(cè)量值，Ex為實(shí)際測(cè)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(duì)牽引變流器電磁輻射的優(yōu)化

3.1電機(jī)側(cè)采用屏蔽電纜

電機(jī)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(wú)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(duì)牽引變流器電磁輻射的優(yōu)化(圖17～圖18)

變流器進(jìn)出線口采用雙面導(dǎo)電的鋁箔，且保證鋁箔能與接地螺栓連接。對(duì)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(jìn)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(yǔ)

軌道車輛對(duì)外電磁干擾的發(fā)射強(qiáng)度是否滿足現(xiàn)行國(guó)際及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，一方面直接影響到我國(guó)動(dòng)車組對(duì)外出口，另一方面影響動(dòng)車組的安全可靠運(yùn)行。變流器作為主要電磁干擾發(fā)射源，對(duì)電磁干擾機(jī)理進(jìn)行研究并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(jī)理，分析了變流器電磁干擾的抑制方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了電力電纜屏蔽以及箱體屏蔽對(duì)變流器電磁干擾的優(yōu)化效果，為整車電磁兼容設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

[1]單秦. 動(dòng)車組電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京交通大學(xué)出版社，2013.

[2]孟進(jìn).基于IGBT開關(guān)暫態(tài)過(guò)程建模的功率變流器電磁干擾頻譜估計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005(10)16-18.

[3]IEC 62236-3-2:2008 軌道交通-電磁兼容-第3-2部分：機(jī)車車輛-設(shè)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(jī)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(duì)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