牵引变流器电磁干扰优化研究

余　俊， 陆　阳， 陈　波

(1　北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094；2　中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081)



牵引变流器电磁干扰优化研究

余俊1， 陆阳2， 陈波2

(1北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094；2中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081)

牵引变流器作为轨道车辆主要的电磁干扰发射源，对电磁干扰机理进行研究并对其进行试验验证，有利于优化整车电磁兼容性能。本文介绍了变流器电磁干扰发射机理，分析了变流器电磁干扰的抑制方法，并通过试验验证了电力电缆屏蔽以及箱体屏蔽对变流器电磁干扰的优化效果，为整车电磁兼容设计提供设计以及整改参考。

牵引变流器； 电磁干扰； 电磁屏蔽

牵引变流器作为轨道车辆主要的电磁干扰发射源，对电磁干扰机理进行研究并对其进行试验验证，有利于优化整车电磁兼容性能。

1　牵引变流器电磁干扰发射机理

1.1电磁干扰

任何一个电磁干扰的发生，都要有电磁干扰源、传播途径、接收体3个条件[1]。电磁干扰按照传播路径又可分为传导干扰和辐射干扰(见图1)。传导干扰是通过电源线、信号和控制线以及天线端口等接口进行传播的。电场或磁场辐射干扰经空间传播，通过电磁感应作用于接收体。传导干扰和辐射干扰都可能会引起设备性能的降低。

1.2变流器电磁干扰机理分析

在电力电子变流装置发射的电磁干扰不仅来自半导体开关器件的瞬态通断过程，也来自电力电子变流装置的电力电缆对外部,也来自电力电缆对外部的发射，图2为变流器装车拓扑图。

图1　电磁干扰分类

1.2.1变流器开关器件的电磁干扰

IGBT等开关器件在接通和关断中，由于电流和电压在短时间发生跳变，产生高dv/dt和di/dt，从而形成电磁干扰[2]。主要包括：(1)电压跳变会在电容上产生很大的充电和放电电流，实际驱动电路和主电路会存在

图2　变流器装车拓扑图

杂散的分布电容，1nF电容就可以产生几安培的电流瞬态脉冲。(2)开关器件在通断瞬间会在杂散电感上产生感应电压，较大的电流环路会形成一个发射源，对空间产生辐射电磁场。(3)逆变器开关中形成的PWM波形除了有用的基波之外，还含有大量的高次谐波，目前逆变器开关频率从几千赫兹到几百千赫兹，谐波频率从几千赫兹到几兆赫兹。由于高次谐波存在，PWM信号也会对周围的设备产生辐射影响。(4)控制电路输出的高频脉冲时钟波形也会产生一定的电磁干扰(见图3)。

图3　IGBT开通和关断暂态过程波形

1.2.2变流器电力电缆的电磁干扰

牵引变流器包括整流器和逆变器以及中间直流环节(见图4)。整流器通过变压器侧电力电缆与变压器连接。逆变器通过电机侧电力电缆与电机连接。变流器电力电缆上通过电压可变、电流可变且频率可变的电能，势必会在电缆上产生电场和磁场向车内空间或车外空间辐射。此外，因变流器IGBT开关通断产生的高次谐波通过电力电缆传导，也会在电缆上激励电磁场。IEC 62236-3-2:2008[3]已明确指出：限制设备的传导发射可以防止过度辐射发射。

图4　牵引变流器基本组成

1.3变流器电磁干扰的抑制

轨道交通行业应用的变流器产生的电磁干扰主要分布在1 GHz以下[4]，在此频段内包括了部分轨道电路通讯频率、AM调幅广播通讯、FM调频广播通讯、电视信号、对讲机频率、GSM手机通讯频率。变流器又是机车车辆及动车组的主要电磁发射源，所以对其电磁干扰进行抑制，可有效提高机车车辆及动车组的电磁兼容性能。

目前，对变流器电磁干扰抑制的方法包括：滤波、屏蔽、接地以及优化控制算法等。其中，滤波一般采用在元器件关断时并联电容抑制du/dt或在元器件采用串联电感抑制电流di/dt。这种滤波措施一般在变流器设计之初就已经考虑。而当变流器装车后发生电磁干扰异常的情况时，一般采用在输入输出电缆套入磁环的方法，往往能得到很好的电磁干扰抑制效果。但是，考虑到机车车辆运行环境，磁环的安装一定程度上会影响接线端子的强度和使用寿命，同时，磁环也是一种脆性材料，一旦发生应变断裂，如果无相应的保护措施，可能会影响正常行车。

屏蔽应当是抑制变流器装车后电磁干扰最经济可行的措施。针对牵引变流器，可采取变流器箱体电磁屏蔽以及电力电缆电磁屏蔽的方法。对于低频交变磁场，可采用铁镍合金等高磁导率材料，构成磁力线的低磁阻通路，大部分磁场被封装在屏蔽体内。对于高频磁屏蔽，屏蔽罩采用铝或铜等高电导率的良导电材料，考虑到趋肤效应，还可以采用金属银镀层，利于产生涡流，屏蔽效果好。

2　牵引变流器对外射频骚扰试验

美国联邦通讯委员会(FCC)，美国国家标准学会(ANCI)，国际电工委员会(IEC)，国际无线电干扰委员会(CISPR)出台相关标准，容许用电磁屏蔽半电波暗室替代开阔试验场进行EMC测试。

GB 24338.3要求整车采用开阔场10 m法进行测量，对牵引变流器整机不要求进行对外射频骚扰试验，只需在装车后进行整车射频发射测试。为获取单体牵引变流器对外辐射数据，在封闭的交流传动试验室对牵引变流器带负载运行所产生的辐射进行了测试。

考虑到电磁屏蔽和六面墙体的反射叠加，此次交流传动试验室牵引变流器对外射频骚扰试验结果比标准要求的10 m法开阔场测试结果偏大。但不影响采取整改措施前后的数据对比和效果分析。

2.1试验依据

EN 50121-3-1-2006《轨道交通电磁兼容第3-1 部分：机车车辆列车和整车》。

EN 50121-2-2006《轨道交通电磁兼容第2部分 铁路系统对外部的发射》。

2.2试验条件

试验对象：牵引变流器；

试验地点：中国铁道科学研究院东郊分院交流传动国家重点试验室；

试验状态：运行；

其他要求：试验场地应足够大，以便在规定距离处安放天线，并保证天线与牵引变流器之间的间隔。原则上测量点与牵引变流器的间距为10 m，某些工况如不能满足距离条件，应保证间距为3 m。为了排除环境噪声的影响，将记录试验开始前和结束后的环境噪声，应保证环境噪声电平至少比评判标准规定限值低6 dB，同时测试网压、网流、电机电压电流、速度、转矩等参数。

2.3试验方法

在距牵引变流器10 m的位置，架设测试天线，测试牵引变流器于牵引、再生制动工况产生的9 kHz～1 GHz对外部的射频骚扰。

牵引变流器运行前完成架设测试天线，牵引变流器分别以静置、牵引、再生制动工况进行测试，交流传动试验台记录网压、网流、电机电压电流、电机速度、电机转矩等参数。

(1)静态工况

牵引变流器应通电，但不启动牵引电机。

(2)慢行工况

牵引变流器控制电机模拟动车组以50±10 km/h运行，陪侍牵引变流器调节陪试电机提供被试电机最大牵引或电制力1/3的负载转矩。

牵引变流器连线方式分为两种：

(1)使用普通电缆；

(2)使用屏蔽电缆。

分别在这两种连线方式下进行测量，见图5，图6。

图5　测试天线(环形天线)、EMI接收机摆放与线路相对位置

图6　测试天线(对数周期天线、双锥天线)EMI接收机摆放与线路相对位置

如采用3 m法测量，应按照公式进行折算：

E10=Ex+20nln(D/10)

E10为10 m法测量值，Ex为实际测量距离D m的值，n为换算系数,见表1。

表1　换算系数表

3　屏蔽电缆对牵引变流器电磁辐射的优化

3.1电机侧采用屏蔽电缆

电机侧采用屏蔽电缆后，150 kHz～1 GHz频段优化效果不明显。9～150 kHz低频段射频干扰有10～20 dB的优化效果(电缆布线图见图7、图8，优化结果见图9～图10)。

图7　无屏蔽电缆

图8　有屏蔽电缆

图9　9～59 kHz的射频骚扰优化效果

图10　50～150 kHz的射频骚扰优化效果

3.2变压器侧采用屏蔽电缆(见图11～图16)

变压器侧采用屏蔽电缆后， 射频发射改善良好的频段包括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优化效果最明显，部分频率有15～30 dB的改善效果。

图11　屏蔽电缆截面图

图12　变压器侧电缆安装图

图13　150 kHz～1.15 MHz的射频骚扰优化效果

图14　1～11 MHz的射频骚扰优化效果

图15　10～10MHz的射频骚扰优化效果

图16　30～230 MHz的射频骚扰优化效果

4　箱体屏蔽对牵引变流器电磁辐射的优化(图17～图18)

变流器进出线口采用双面导电的铝箔，且保证铝箔能与接地螺栓连接。对比整改前后的数据，在30～230 MHz频段内，射频发射有2～5 dB的优化效果。

图17　进出线口加铝箔屏蔽的施工图

图18　30～230 MHz的射频骚扰优化效果(加铝箔)

5　结束语

轨道车辆对外电磁干扰的发射强度是否满足现行国际及国家标准的规定，一方面直接影响到我国动车组对外出口，另一方面影响动车组的安全可靠运行。变流器作为主要电磁干扰发射源，对电磁干扰机理进行研究并对其进行试验验证，有利于优化整车电磁兼容性能。介绍了变流器电磁干扰发射机理，分析了变流器电磁干扰的抑制方法，并通过试验验证了电力电缆屏蔽以及箱体屏蔽对变流器电磁干扰的优化效果，为整车电磁兼容设计提供设计参考。

[1]单秦. 动车组电力电子技术基础[M].北京交通大学出版社，2013.

[2]孟进.基于IGBT开关暂态过程建模的功率变流器电磁干扰频谱估计[J].中国电机工程学报,2005(10)16-18.

[3]IEC 62236-3-2:2008 轨道交通-电磁兼容-第3-2部分：机车车辆-设备[S].

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

[5]EN 50121-3-1-2006《轨道交通电磁兼容第3-1 部分：机车车辆列车和整车》.

[6]EN 50121-2-2006《轨道交通电磁兼容第2部分 铁路系统对外部的发射》.

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，工程师(

2015-12-18)

U264.3+7

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.23