HXD3型电力机车BC 06-Ⅰ型DC 110 V电源装置异常电磁噪声原因分析及解决方案

王如蛟

(北京铁路局　天津机务段， 天津 300230)



HXD3型电力机车BC 06-Ⅰ型DC 110 V电源装置异常电磁噪声原因分析及解决方案

王如蛟

(北京铁路局天津机务段， 天津 300230)

通过分析HXD3型电力机车BC 06-Ⅰ型DC 110 V电源装置的工作原理，研究其工作电磁噪声源及噪声产生的机理，提出解决电源装置异常噪声的有效解决方案。

BC 06-Ⅰ； DC 110 V电源装置； 电磁噪声

HXD3型电力机车BC 06-Ⅰ型DC 110 V电源装置在为机车提供控制电源的同时承担蓄电池充电功能，亦称为蓄电池充电器(简称充电器)。该装置由两组完全相同且独立工作的电源单元PSU1和PSU2组成，机车微机控制系统控制PSU1奇数日、PSU2偶数日交替循环工作，当其中一组故障时系统自动切换到另一组继续给机车控制系统供电，大大降低了因控制电源故障引起的机车行车事故。

1　问题的提出

HXD3型机车自2006年批量生产投入运用以来，已进行了C4或者C5级修，在检修中发现一些DC 110 V电源装置工作时存在噪声偏大的情况，甚至个别电源装置发出刺耳的尖锐声。机车乘务人员长时间工作在噪声超标的环境中，容易出现注意力分散、反应迟钝、工作效率下降等问题，不利于铁路机车行车安全。下面从电源装置的工作原理分析电磁噪声产生的机理，提出降低噪声的可行性措施，为机车乘务人员提供一个舒适的工作环境。

2　电源装置的工作原理

DC 110 V电源装置由电源输入电路、预充电电路、输出电路和控制电路构成(见图1)，额定电压为 DC(750±75)V, 输出电压为DC (110±1.1)V, 额定功率 6.05 kW，采用强迫风循环冷却散热。该装置输入电源来自机车辅助逆变器APU 的中间直流回路, 通过CTT接触器选择由APU1或APU2供电；预充电回路由CTT接触器主触头、充电电阻 CHR 和可控硅 CHS构成，CTT触头闭合后, 通过限流电阻对中间电容 FC1、 FC2进行充电, 在其电压达到一定值后, 导通 CHS, 将 CHR 短路, 完成预充电；输出回路是整个装置的核心部分，由4个IGBT全桥臂逆变器、 绝缘高频变压器 IST1和整流器 FR、电抗器 DCL1和电容 LC1构成，控制回路由集成在控制基板上的电源模块、CPU、DI/DO模块、AI模块及门极驱动模块等组成，CPU控制门极驱动模块驱动IGBT实施频率固定为6 kHz脉宽调制输出单相脉冲交流电源，经高频变压器、整流器和滤波后输出DC 110 V电源。

图1　电源装置电路图

3　噪声产生的机理分析

为了查找电源装置噪声源，在电源装置检修性能试验中用分贝仪测量柜体内部各处的噪声分布情况。通过对57台电源装置噪声测量，发现噪声最大值均出现高频变压器IST附近，且分贝数随电源装置的负载增大而增加。电源装置选用整体灌装式和普通式两种型式的高频变压器(见图2)。

图2　高频电压器

统计满载时最大噪声分贝数的分布情况如下：无低于80 dB情况，25台电源装置噪声为(80～90) dB，均为装用整体灌装式高频变压器；26台电源装置噪声为(90～100) dB，6台电源装置噪声大于100 dB，最高达到107.2 dB，超过90 dB的电源装置均是装用普通式高频变压器,变压器绕组表面绝缘涂层存在不同程度的起皮、脱落现象。

对于绝缘高频变压器而言，噪声产生的来源有以下3类：

(1)硅钢片的磁致伸缩引起的铁芯振动；

(2)硅钢片接缝处和叠片间，因磁通穿过片间而产生的电磁力引起的振动；

(3)负载电流通过绕组时，因漏磁通在绕组导体间产生的电磁力引起绕组的振动。

3.1变压器结构对电磁噪声的影响

硅钢片产生的磁致伸缩是变压器噪声的最主要根源。磁致伸缩通常以ε表示，其等于励磁时硅钢片片长的增量 △l与片长l之比， 即ε=△l/l。

试验研究表明，硅钢片的磁致伸缩与ε硅钢片的材质、表面的绝缘涂层、含硅量 、磁通密度、磁力线与硅钢片压延方向的夹角以及硅钢片受到的机械应力等因素有关。

整体灌装式变压器是在普通变压器的基础上进行绝缘塑封而成的，较普通式变压器具有较好的铁芯和线圈夹紧固定作用，能够有效抑制硅钢片和线圈的振动引起的噪声。

3.2电源品质对噪声的影响

高频变压器IST输入电压为IGBT全桥臂逆变器逆输出脉冲电压(见图3)，根据傅里叶变换，该电压可以等效为由一系列的正弦电源的叠加，即

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

其中Um为脉冲电压幅值，ω=2πf,f脉冲电压频率，为6 kHz。

图3　输出脉冲电压

由于谐波电压的存在，会引起附加的铁芯磁滞伸缩效应和漏磁引起的铁芯振动和线圈振动，一定程度上增强电磁噪声，且频率越高，噪声越明显。

4　解决方案

为了有效控制或降低电源装置工作电磁噪声、消除异常电磁噪声，需要从制定合理的电磁噪声标准和采取降低电磁噪声两方面综合治理。

4.1制定合理的电磁噪声标准

根据HXD3型机车司机室噪声不得高于70 dB设计要求，考虑到电源装置安装在机械室内及其电磁噪声传播到司机室的衰减程度，制定电源装置工作时最大噪声不大于90 dB。通过检修实践验证执行此标准能够满足司机室噪声低于70 dB的要求。

4.2降低电磁噪声的措施

(1)在高频变压器的输入端并联谐波滤波器。根据高频变压器噪声的产生的机理可知，过滤掉输入谐波可以有效降低电磁噪声。鉴于此高频变压器的输入谐波为基波的奇数倍正弦波，3倍频谐波占比成分较大，故可采用LC滤波器过滤掉3倍频(18 kHz)的谐波。

(2)普通式高频变压器进行更换或浸漆处理。对于电磁噪声(90～95) dB普通式变压器可采用真空浸漆工艺能够填充线圈之间的间隙，提高绝缘强度和降低线圈漏磁通振动引起的噪声，实践证明可以有效降低5～8 dB；对于电磁噪声超过95 dB的普通式高频变压器更换为整体灌装式变压器处理。

5　结束语

通过对电源装置电磁噪声产生机理的分析，从制定电磁噪声标准和抑制电磁噪声两个方面入手，通过检修实践证明，本文中所制动的标准和解决方案有效降低了电磁噪声，不仅提高了电源装置检修质量，还解决了因噪声问题引起的检修超工时问题，有效地降低了检修成本。

[1]张曙光. HXD3型电力机车[M]. 北京:中国铁道出版社，2010.

[2]蒋长庆，朱伯铭.关于变压器噪声的分析及其降低方法[J].南京师大学报(自然科学版),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，工程师(

2015-08-07)

U264.6

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.17