轨道车辆变频空调系统谐波干扰及抑制措施

2019-04-28刘国庆

电子技术与软件工程 2019年3期

关键词：电抗器电感变频器

文/刘国庆

1 概述

随着轨道交通行业节能环保概念的提出，轨道车辆空调系统开始向变频方向发展，由于变频器采用了大量的非线性元件，将产生谐波，对车上用电设备造成干扰，影响正常工作。

2 变频器谐波的产生及危害

轨道车辆空调根据车厢内外温度，通过变频器对压缩机自动调频运行，达到节能、舒适乘车环境的目的，车上供电系统如图1。

2.1 变频器谐波的产生

空调系统变频器供电主要来自于车上辅助逆变器提供AC380V/50HZ正弦波电源通过：整流、中间直流环节、IGBT逆变、控制等四个环节，实现变频器变频功能。通过测试，变频器运行时产生的谐波集中在5、7、11、13次。

2.2 变频器谐波的危害

变频器谐波的产生，会对车上供电设备以及自身产生影响：

（1）影响变频器自身的性能，在输入测，变频器电流畸变率较高，直接降低变频器主回路功率器件的设计余量，导致变频器工作不稳定，同时，也会通过传导、辅射影响其变频器控制电路，导致各种误动作；

图1：轨道车辆供电示意图

图2：变频器谐波抑制模型

图3：同时加装交流、直流电抗器谐波含量

图4：加装滤波器变频器传导测试结果

（2）变频器谐波对辅助逆变器及其它用电设备产生影响，如使用寿命、异响、绝缘破坏、加速老化等。

3 变频器谐波抑制措施研究

3.1 一般措施

（1）合理布线，变频器的动力输入与输出，需保持一定的间距，尽量使用屏蔽线；动力线与控制线需分开成不同的路径走线，空间上无法分开时，尽量使动力线与控制线垂直交叉布置，降低对控制信号的干扰；

（2）变频器采用铁壳，屏蔽变频器对外辐射，隔离外界对变频器本身的干扰；

（3）加装隔离器，通过电-磁-电的转换，避免电源与变频器输入端由于电气连接产生的干扰而影响车上电网。

3.2 滤波器、电抗器滤波抑制措施

（1）在变频器交流供电回路安装交流电抗器可以防止高次谐波直接传入车上电网，同时，防止车上电网电压波动和电流冲击对变频器的影响；

（2）在变频器直流母线安装直流电抗器，可以减少电流中的谐波成分以及电流的脉动，延长滤波电容寿命，提高变频器功率因素；

（3）在变频器交流供电回路安装无源滤波器，防止对车上其它产生干扰。

目前大多车辆空调系统，要求系统运行时，要求电压谐波THD含量一般≤10%，基于以上，建立如图2谐波抑制模型并进行仿真试验研究。

3.2.1 主回路增加电抗试验研究

11KW变频器，根据谐波电压测试数据在仿真软件内进行计算和调整，将90Hz运行频率下的测试数据输入软件，计算并调整后，按照电抗器电感量为0.737mH的倍数进行仿真测试。

0.737 mH交流电抗器时仿真谐波电压为14.68%；1.474 mH交流电抗器时仿真谐波电压为14.14%；2.948 mH交流电抗器时仿真谐波电压为13.00%；5.896 mH交流电抗器时仿真谐波电压为10.76%。

从仿真数据看，电感量越大，谐波电压呈降低趋势，同时，如果继续增大电感量，会导致电压压降增大，从而影响变频器正常运行，当5.896mH时，电抗器造成的压降，已经接近变频器运行在临界电压值，将会导致变频器工作异常。

3.2.2 变频器整流回路增加直流电抗器试验研究

直流电抗器可以限制叠加在直流电流上的交流纹波，改善变频器的功率因数并可以抑制变频器逆变环节产生的谐波，减少其对整流装置和电网的影响。根据日立WJ-200系列11KW变频器资料建议（2.33mH）及软件仿真结果，直流电抗器电感量选用2.2mH和2.6mH进行模拟仿真。2.2 mH直流电抗器时仿真谐波电压为13.39%；2.6 mH直流电抗器时仿真谐波电压为11.89%。增加直流电抗器能降低谐波电压，但仍无法控制在10%以内，持续加大电感量也会导致直流母线电压降低，影响变频器工作。

3.2.3 同时增加交流电抗器和直流电抗器试验研究

同时加2.6mH直流电抗器和0.74mH交流电抗器时仿真谐波电压为12.04%；同时加2.6mH直流电抗器和4mH交流电抗器时仿真谐波电压为9.78%。如图3。由试验可知，交流直流电配器在配合使用的情况下，谐波抑制效果明显，且可满足要求。

3.2.4 主回路增加交流滤波器试验研究

根据不加装测试出来的波形及数据，在150KHZ时，干扰值已达到100dB，依据测试数据，设计其匹配的滤波器：X电容Cx1：2.2µF，Cx2：1µF；Y电容Cy：6800pF；电阻R：1MΩ；电感L1、L2：20MH，加装后，EMC试验室测试结果如图4，满足EN50121-3-2标准要求。