城市軌道交通車輛應(yīng)答器傳輸模塊電磁干擾原因及其應(yīng)對(duì)措施

王 博 楊其林 孔宴偉 邸 峰 朱真宗

(中車青島四方車輛研究所有限公司,266031,青島∥第一作者,高級(jí)工程師)

隨著技術(shù)更新迭代,城市軌道交通車輛裝備了越來越多的電子、電氣設(shè)備或系統(tǒng)產(chǎn)品,這些產(chǎn)品的EMC(電磁兼容)測(cè)試是車輛必須檢驗(yàn)檢測(cè)的項(xiàng)點(diǎn)。城市軌道交通大功率變流系統(tǒng)的EMC測(cè)試應(yīng)按照GB/T 24338.4—2018《軌道交通 電磁兼容 第3-2部分:機(jī)車車輛 設(shè)備》進(jìn)行,產(chǎn)品出廠前須按照該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行廠內(nèi)的EMC測(cè)試。但由于廠內(nèi)測(cè)試受地面試驗(yàn)條件的限制,地面EMC試驗(yàn)結(jié)果僅能證明其部分功能正常。此外,GB/T 24338.4—2018中明確規(guī)定超過50 kVA的變流器設(shè)備不能單獨(dú)進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn),傳導(dǎo)發(fā)射項(xiàng)點(diǎn)中也僅對(duì)變流系統(tǒng)中的輔助變流器輸出端有限值進(jìn)行了約束,這些因素都可能導(dǎo)致車輛其他子系統(tǒng)或設(shè)備運(yùn)行過程中車載變流系統(tǒng)輸入端口的電磁干擾存在未知的安全風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)際的工程項(xiàng)目中,經(jīng)常出現(xiàn)廠驗(yàn)EMC試驗(yàn)結(jié)果合格但實(shí)際使用時(shí)車載變流系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“變流系統(tǒng)”)對(duì)車載BTM(應(yīng)答器傳輸模塊)天線產(chǎn)生電磁干擾的情況,即變流系統(tǒng)啟動(dòng)后,BTM天線的信號(hào)接收功能受到了較強(qiáng)的干擾,導(dǎo)致其無(wú)法正常工作。本文對(duì)該情況的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,并對(duì)電磁干擾的抑制措施進(jìn)行研究,以期對(duì)地面EMC測(cè)試內(nèi)容及后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 BTM天線受擾原因分析

為找到安裝在車頭端部的BTM天線受干擾的具體原因,應(yīng)先對(duì)干擾源進(jìn)行定位。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):與BTM天線同車的變流系統(tǒng)啟動(dòng)前,BTM天線接收的信號(hào)一切正常;變流系統(tǒng)啟動(dòng)后,BTM天線就會(huì)接收到4 MHz附近頻率較強(qiáng)的干擾信號(hào),由此可認(rèn)為本車的變流系統(tǒng)是干擾源。再對(duì)變流系統(tǒng)進(jìn)行空載和帶載試驗(yàn),該干擾現(xiàn)象未發(fā)生明顯變化,由此可認(rèn)為該干擾現(xiàn)象與變流系統(tǒng)的負(fù)載功率間無(wú)強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。

進(jìn)一步對(duì)變流系統(tǒng)的拓?fù)湓砗徒拥胤绞竭M(jìn)行分析。圖1為變流系統(tǒng)主拓?fù)浼敖拥胤绞绞疽鈭D,變流系統(tǒng)采用兩電平的三相全橋逆變拓?fù)?采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)作為開關(guān)器件。變流系統(tǒng)采用DC(直流電) 1 500 V供電制式,變流器箱的負(fù)線首先接到車體底部接地匯流箱內(nèi)的接地匯流排,匯流排再直接與接地裝置連接。通過接地碳刷實(shí)現(xiàn)了變流系統(tǒng)負(fù)線與輪軌的連接,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變流器的負(fù)線回流。變流系統(tǒng)吊裝在車底并與車體直接連接,變流系統(tǒng)設(shè)備設(shè)置了單獨(dú)的接地點(diǎn),與車體相連。車體經(jīng)過接地電阻連接到匯流排,以實(shí)現(xiàn)保護(hù)性接地。車體經(jīng)過接地電阻能夠適當(dāng)?shù)靥岣哕圀w電位,減小流經(jīng)車體的諧波電流。但是,考慮到車體電位不能高于安全電壓的防護(hù)要求,接地電阻的電阻值不能太大,一般要求小于50 mΩ[1]。

如圖1所示,當(dāng)變流系統(tǒng)工作時(shí),其內(nèi)部的IGBT處于快速通斷模式,逆變輸出電壓為一系列寬度呈周期性變化的、近似方波的脈沖電壓,這類脈沖電壓含有豐富的諧波分量,是變流系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的主要原因。PWM(脈沖寬度調(diào)制)驅(qū)動(dòng)的逆變系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,可分為共模干擾和差模干擾兩種。IGBT本身存在的寄生電感在di/dt(單位時(shí)間內(nèi)電流變化率)高速變化情況下產(chǎn)生了高頻電壓干擾信號(hào),IGBT與散熱器之間的等效分布電容為共模干擾信號(hào)提供了傳播路徑。IGBT快速開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的du/dt(單位時(shí)間內(nèi)電壓變化率)使得這些分布電容開始充放電并產(chǎn)生共模噪聲,且共模干擾信號(hào)的傳輸路徑不同將導(dǎo)致共模信號(hào)與差模信號(hào)的相互轉(zhuǎn)化,差模信號(hào)可在輸入電纜或輸出電纜之間進(jìn)行傳播[2]。變流系統(tǒng)電磁干擾的流通路徑如圖2所示。

圖2 變流系統(tǒng)電磁干擾流通路徑

電磁干擾可分為電場(chǎng)干擾與磁場(chǎng)干擾兩種,兩者屬性不同,但兩者間的能量能互相影響,即:隨時(shí)間變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)也會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。這些連續(xù)不斷同相振蕩的電場(chǎng)和磁場(chǎng)共同形成了電磁干擾/電磁波。

從圖2中BTM天線安裝的位置及干擾信號(hào)的流通路徑看,共模信號(hào)和差模信號(hào)都會(huì)對(duì)BTM天線正常接收信號(hào)產(chǎn)生一定的干擾。

2 電磁干擾的抑制措施

為降低變流系統(tǒng)產(chǎn)生的差模干擾和共模干擾對(duì)BTM天線的影響,本文考慮采用在變流器箱內(nèi)部增加干擾信號(hào)回流路徑、縮短干擾信號(hào)在變流器箱外部回流路徑的方式,使得干擾信號(hào)盡可能地在變流器箱內(nèi)循環(huán),從而解決該電磁干擾問題。在查閱了相關(guān)資料及文獻(xiàn)[3]后,綜合考慮方案的可行性及可靠性,決定通過增加電源對(duì)箱體的接地電容、在電源正負(fù)線間增加高頻濾波電容這兩種方式進(jìn)行干擾抑制,變流系統(tǒng)增加接地電容、高頻濾波電容后的電磁干擾流通路徑如圖3所示。

如圖3所示,增加了接地電容后,變流器箱IGBT產(chǎn)生的共模信號(hào)可通過此阻容器件回到電源側(cè);增加高頻濾波電容后,差模信號(hào)可在支撐電容與高頻濾波電容間流通,且部分共模干擾信號(hào)也可通過此高頻濾波電容回流至電源正線。采用這兩個(gè)抑制措施后,降低了差模信號(hào)、共模信號(hào)傳輸至車體的強(qiáng)度,進(jìn)而降低了對(duì)安裝在車體底部的BTM天線的干擾。

為確定增設(shè)的接地電容和高頻濾波電容的具體參數(shù)值,對(duì)增加接地電容后的共模干擾回路進(jìn)行簡(jiǎn)化分析[4],其簡(jiǎn)化電路如圖4所示。

圖4 共模干擾回路簡(jiǎn)化模型

設(shè)f為需要改善的超標(biāo)頻率,UA為端口共模電壓。設(shè)未添加接地電容的端口共模電壓為UAO,其計(jì)算式為:

(1)

設(shè)添加接地電容后的端口共模電壓為UA1,其計(jì)算式為:

(2)

聯(lián)立式(1)及式(2),可得到功率插入損耗AdB的計(jì)算式為:

(3)

AdB為預(yù)期需要改善的功率插入損耗,可根據(jù)式(3)在不同目標(biāo)頻點(diǎn)組成方程組,求得需要增加的阻容參數(shù)的理論值。

由于實(shí)際裝車工況中雜散電流參數(shù)共模回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,根據(jù)圖4的簡(jiǎn)化模型和式(1)—式(3),結(jié)合電容值增大后漏電流增大可能導(dǎo)致變流系統(tǒng)與車體的電磁場(chǎng)環(huán)境變差的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),接地電容建議采用單電容配合線路等效阻抗的方案。該方案下接地電容和高頻濾波電容的范圍均為0.47～2.00 μF,選用的電容均應(yīng)采用雜散電感小的專用接地電容。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

變流系統(tǒng)的基本電氣參數(shù)如下:輸入電壓UDC為DC 1 500 V;支撐電容C=4 mF;開關(guān)頻率f1=1 350 Hz;輸出頻率f2=50 Hz;輸入電感L=3.5 mH。

首先對(duì)變流系統(tǒng)未增設(shè)回流路徑時(shí)的干擾頻譜進(jìn)行測(cè)試,得到的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由于BTM天線的敏感信號(hào)頻段為2～6 MHz,本文僅對(duì)此頻段的頻譜進(jìn)行觀測(cè)。由圖5可知:干擾的峰值功率點(diǎn)出現(xiàn)在4.13 MHz附近,幅值峰值為-51.94 dBm。

圖5 變流系統(tǒng)未增設(shè)回流路徑時(shí)的干擾頻譜截圖

為降低變流系統(tǒng)對(duì)車載BTM天線的干擾,采取降低干擾源強(qiáng)度的解決措施,在變流器箱內(nèi)增加電源對(duì)箱體的接地電容,在電源正負(fù)線間增加高頻濾波電容,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。增設(shè)的接地電容和高頻濾波電容的參數(shù)如表1所示。

表1 增設(shè)的接地電容和高頻濾波電容的基本參數(shù)

3.1 方案一(僅增加0.5 μF共模電容)

方案一下,測(cè)得的干擾頻譜如圖6所示。由圖6可知:增加了0.5 μF共模電容后,4.00 MHz頻率點(diǎn)附近的干擾幅值為-56.27 dBm(較圖5降低了4.33 dBm),這說明增加此電容后干擾信號(hào)中的共模分量受到了一定程度的抑制;但是,2.44 MHz附近的峰值點(diǎn)的幅值為-49.29 dBm(較圖5增加了2.65 dBm),這導(dǎo)致變流系統(tǒng)的整體干擾幅值有所提高,究其原因主要為增加的共模接地電容與回路中的等效電感在此頻率下發(fā)生了諧振,導(dǎo)致該頻率點(diǎn)的信號(hào)幅值增加。因此,方案一不能解決變流系統(tǒng)對(duì)BTM天線的干擾問題。

圖6 方案一的干擾頻譜截圖

3.2 方案二(僅增加1.0 μF差模電容)

方案二下,測(cè)得的干擾頻譜如圖7所示。由圖7可知:增加了1.0 μF差模電容后,4.00 MHz頻率點(diǎn)附近的干擾幅值為-55.59 dBm(較圖5降低了3.65 dBm),這說明干擾信號(hào)中的差模分量可通過增加的電容進(jìn)行流通,干擾信號(hào)中的差模分量受到了一定程度的抑制。

但由于僅增加差模電容對(duì)干擾信號(hào)幅值的降低作用并不明顯,且與滿足工程應(yīng)用的-60 dBm標(biāo)準(zhǔn)幅值的差距較大,因此,方案二不能解決變流系統(tǒng)對(duì)BTM天線的干擾問題。

3.3 方案三(增加0.5 μF共模電容和1.0 μF差模高頻濾波電容)

方案三下,測(cè)得的干擾頻譜如圖8所示。由圖8可知:峰值頻率點(diǎn)出現(xiàn)在2.88 MHz附近,峰值點(diǎn)的干擾幅值約為-58.93 dBm。與圖5相比,變流系統(tǒng)的整體干擾幅值降低了約7.00 dBm。方案三能夠基本滿足本工程項(xiàng)目BTM天線的抗干擾要求。

圖8 方案三的干擾頻譜截圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文從遇到的實(shí)際工程問題出發(fā),對(duì)城市軌道交通車輛車載變流系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾的原理進(jìn)行了分析,并對(duì)BTM天線接收到的干擾頻譜進(jìn)行了測(cè)試,得出了電磁干擾的共模干擾分量與差模干擾分量相當(dāng)?shù)慕Y(jié)論。

通過建立開關(guān)器件的等效簡(jiǎn)化模型,結(jié)合預(yù)期需要改善的噪聲水平,得到了為降低共模干擾信號(hào)而增設(shè)的器件參數(shù)的理論值范圍。增加了共模干擾和差模干擾信號(hào)的流通路徑后,實(shí)現(xiàn)了干擾信號(hào)在變流系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)流通,減少了對(duì)變流系統(tǒng)外設(shè)備的傳導(dǎo)干擾。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了本文抑制電磁干擾策略的正確性,最終給出了降低BTM天線干擾信號(hào)的具體方案。

該方案不僅可以滿足實(shí)際的工程應(yīng)用要求,還可用于指導(dǎo)后續(xù)變流系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行地面EMC試驗(yàn)時(shí),通過增加變流系統(tǒng)機(jī)箱端口對(duì)外傳導(dǎo)發(fā)射的基礎(chǔ)摸底測(cè)試,可進(jìn)一步提高變流系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。