轨道车辆变频空调电磁兼容性设计及应用

卢明书，赵康杰，徐 铭，史勇进

(山东朗进科技股份有限公司 技术中心，山东 济南 271100)

随着轨道交通和电力电子技术的发展，对轨道车辆小型化、轻量化和节能的要求不断提高，轨道车辆变频空调以其优越的节能特性和舒适特性被广泛应用于地铁、轻轨、城际列车等。由于轨道车辆变频空调内部功率器件在开关转换过程中产生较大的电压变化率和电流变化率，容易形成较强的电磁干扰，因此变频空调机组电气系统的设计需满足电磁兼容性设计标准。

1 轨道车辆变频空调电磁干扰分析

变频空调逆变系统中，IGBT处于快速通断模式，逆变器输出为方波脉冲电压，由于逆变器输出电缆与空调机壳之间、电动机与空调机壳之间都存在分布电容，因此逆变器输出的方波脉冲电压导致分布电容充放电，产生共模干扰。共模干扰电压叠加在电源输入端口，当进行传导骚扰测试时,在线路阻抗稳定网络(LISN)上形成传导骚扰，同时产生辐射骚扰。

轨道车辆变频空调电磁兼容性需符合EN 50121-3-2：2016《铁路设施 电磁兼容性 第3-2部分：机车车辆 设备》要求，电源输入端口传导骚扰和辐射骚扰试验限值如表1所示。

表1 电源输入端口传导骚扰和辐射骚扰试验限值

图1为变频空调电磁干扰传播路径。逆变器通过分布电容产生高频脉冲噪声电流，此时逆变器变成噪声源。由于噪声电流的源头是逆变器，因此一定会流回逆变器。噪声电流流过接地等效阻抗所造成的电压叠加至电源输入端口形成电磁干扰。

图1 变频空调电磁干扰传播路径

图2为LISN测试原理图[1]。LISN将被测设备的干扰电压和电源网络隔离，并提供1个50 Ω的阻抗(R1)，在接收机处测量传导骚扰。电源输入端口传导骚扰的实质可以理解为流过R1的电流的大小。在实际产品中，干扰源会有2种电流流过R1，一种是差模电流，另一种是共模电流，无论哪种均在接收机中显示其测量值。

2 电源滤波器设计

电源滤波器由电感、电容、电阻等无源元器件构成，一端连接电源，另一端连接负载，可对电源中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除。电源滤波器的作用是双向性的，既能有效阻止外界的电磁干扰经电源线进入设备，又能阻挡设备自身工作中产生的电磁干扰经电源线进入列车电网传送到其他敏感设备。

Zs.干扰源；DDM.差模电压；DCM.共模电压；CP.寄生电容；CX.差模电容； CY.共模电容；Cs1、Cs2.耦合电容；R1.LISN电阻；R2.接收机电阻。

2.1 电气原理拓扑设计

根据变频空调电磁干扰传播路径分析，传导骚扰以共模干扰为主，因此电源滤波器采用两级共模拓扑设计，并且设置X电容、Y电容及放电电阻等，电源滤波器电气原理如图3所示。

L1、L2.共模电感；C1、C2.差模电容、共模电容；Rl.放电电阻； A、B、C.电源滤波器输入端口； A′、B′、C′.电源滤波器输出端口；PE.接地。

2.2 共模电感量计算

轨道车辆变频空调输入电源为AC 380 V/50 Hz，电气主回路由三相滤波器、整流滤波电路、预充电电路、逆变电路构成，逆变器功率为10 kW。共模电感量L的计算公式如下：

(1)

式中：f——截止频率，Hz；

C——电容，F。

假定共模电感L1的截止频率f1为15 kHz、电容C1为1 μF，共模电感L2的截止频率f2为20 kHz、电容C2为0.02 μF，通过式(1)计算可得L1为5.6 mH，L2为3 mH。

2.3 仿真验证

根据图3电源滤波器电气原理，设置L1为5.6 mH，L2为3 mH，C1为1 μF，C2为0.02 μF，R1为1 MΩ，设置系统源阻抗和负载阻抗分别为50 Ω，电源滤波器插入损耗仿真曲线如图4所示。

图4 电源滤波器插入损耗仿真曲线

由图4可知，电源滤波器在150 kHz处插入损耗为49.9 dB，在794 kHz时插入损耗达到最大值(112 dB)，在794 kHz之后插入损耗减小，直至4 300 kHz附近插入损耗为49.6 dB，满足变频空调在2 MHz附近需要的30 dB插入损耗。

3 整机布局布线及接地设计

3.1 布局设计

在变频空调机组内部系统中，各系统部件及负载的布局对于电磁兼容性设计十分重要。变频空调机组主要部件由压缩机、通风机、冷凝风机、逆变器、滤波器、控制器等构成，布局设计时在利用空间的同时必须满足机械位置安装要求，将空调机组部件按照电磁干扰度和敏感度大小进行布局设计，电磁干扰度较大的逆变器需远离敏感的控制器部件，以减少敏感设备受到干扰的可能性。变频空调机组各部件布局如图5所示。

图5 变频空调机组各部件布局

如图5所示，变频空调机组根据结构、系统、电气3个方面的情况，分为室内侧与室外侧，室内侧根据送风口既有接口位置放置2个通风机；滤波器放置在逆变器电控盒内部；压缩机腔放置2个压缩机，室外侧放置2个冷凝风机。空调内部强电与弱电线束分开布线，强电电缆汇集一侧接至强电连接器，弱电电缆汇集至逆变器电控盒集中处理，逆变器电控盒布局如图6所示。

图6 逆变器电控盒布局

3.2 布线设计规则

根据EN 50343：2003《铁路应用 机车车辆布线规则》要求进行布线设计。

空调机组内部不同电缆之间会产生寄生电容和寄生电感，因此要注意电缆之间的电容耦合和电感耦合。电缆种类和不同种类电缆之间的距离如表2和表3所示。

表2 电缆种类

表3 不同种类电缆之间的距离 m

不同种类的电缆在敷设时应满足以下要求：

(1) 最小间距应符合表4中的要求。若由于结构原因达不到要求时需用金属线槽、金属管、屏蔽网管、编织网管进行隔离。

(2) A1类供电高压干线电缆应尽量短，以减少该电缆产生的强磁感应。

(3) A1、A2类电缆最好采用屏蔽电缆，逆变器至电动机必须采用屏蔽电缆。

(4) 模拟量信号、低电平的开关信号、数据通信线路等C类电缆采用双绞屏蔽电缆。

(5) 分线盒内的布线尽量避免交叉，无法分开的电缆可用金属屏蔽网进行隔离。

(6) C类线缆必须是屏蔽电缆，且可靠接地，例如传感器线缆。

3.2.1布线具体设计要求

根据EN 50343：2003规定，变频空调机组主要布线设计要求如下：

(1) DC 110 V电缆、RS485通信电缆、高低电平开关信号电缆等采用双绞屏蔽电缆；

(2) 逆变器至电动机采用多芯屏蔽电缆，且屏蔽层有效接地；

(3) 强弱电及通信电缆之间距离均>0.2 m，且无交叉；

(4) 各个负载采用黄绿地线单点接地，与金属外壳相连；

(5) 屏蔽电缆采用双端接地方式，且360°搭接处理。其中逆变器与电动机终端屏蔽电缆屏蔽层采用双端接地方式[2]，如图7所示。

图7 逆变器与电动机终端屏蔽电缆屏蔽层双端接地

3.2.2屏蔽层布线工艺

屏蔽电缆屏蔽层双端接地采用360°搭接处理，能有效屏蔽整个高频段，这样从低频段到70 MHz频率范围内均有较低的阻抗，能有效降低电动机转轴和机座电压，改善电磁兼容性能。逆变器终端屏蔽电缆与金属外壳连接器采用360°搭接，同样与电动机终端屏蔽电缆屏蔽层也采用360°搭接，此工艺设计方式属于屏蔽电缆屏蔽层双端接地，且实际效果满足电位平衡，保证高频干扰信号能够通过屏蔽层导入大地。

3.3 部件接地设计

变频空调机组外壳一般采用不锈钢或铝合金材质，所以从电磁兼容的角度来看，接地尤为重要。对于电磁兼容来说，接地是为了引导共模电流的流向，提供最小化接地阻抗，从而减少从电路返回到电源之间接地回路的电势，例如变频空调机组内滤波器接地、逆变器终端屏蔽电缆屏蔽层接地、电动机接地等。

变频空调机组逆变器与压缩机之间采用屏蔽电缆，并且屏蔽层接地，保证高频信号通过屏蔽层导入大地；滤波器接地一般包含旁路电容，保证共模电流被旁路；对于受到内部噪声和外部干扰的逆变器、控制板等，系统许多接地点相连，为干扰信号提供最低阻抗的通道。

4 试验验证

在变频空调机组内，保证控制器及逆变器在满足EN 50121-3-2：2016要求前提下，按照空调整机滤波、接地、屏蔽及整机布局要求设计空调机组，搭建空调测试平台并进行试验，最终传导骚扰测试结果(空调AC 380 V电源输入端口)如图8所示，辐射骚扰测试结果(空调整机)如图9所示。

图9 辐射骚扰测试曲线

通过试验数据可以看出，传导骚扰测试数据和辐射骚扰测试数据均满足标准要求，且余量充足。

5 结束语

本文在分析电磁干扰产生原因的基础上，通过理论计算和仿真分析，从滤波、屏蔽、接地等方面对空调机组进行了设计，最后搭建空调测试平台对理论分析进行了试验验证。试验结果表明传导及辐射骚扰均满足EN 50121-3-2：2016要求，充分证明了理论分析计算的准确性，为轨道车辆变频空调的电磁兼容性设计提供了技术参考。