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牵引变流器的电磁兼容性分析

发布日期:2019-12-15   来源:《变频器世界》19-09期   作者:陈蒙1 李东辉1 张可飞2   浏览次数:384
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【摘   要】:分析了牵引变流器的电磁干扰来源、耦合途径及其发射机理,并介绍了牵引变流器电磁干扰抑制方法,最后通过实验测试验证了滤波对其电磁干扰的优化效果,为牵引变流器电磁兼容设计以及整改提供了参考。

 

  关键词牵引变流器;电磁兼容;电磁干扰;测试


1  引言

随着我国铁路事业的快速发展,铁道牵引技术正从直流传动向交流传动转换,列车运行时,牵引变流装置内部的大功率开关器件以较高的频率进行高电压、大电流的开关转换,电压和电流的变化率都比较大,牵引变流系统在输出电流时势必会产生较大的谐波,若在产品设计之初没有考虑其EMC特性,则会对外产生严重的电磁骚扰,使整车无法通过EMC标准测试。

牵引变流器作为轨道交通车辆的主要电磁干扰源,其电磁兼容问题得到了学者们的广泛关注,文献[]分析了牵引变流器的电磁骚扰发射机理并提出了通过电力电缆屏蔽以及箱体屏蔽的电磁干扰抑制方法。文献[]对牵引变流器的主要干扰之一共模干扰进行了详细的分析,得出了三电平逆变器产生的共模电压比两电平产生的低,电平数的增多对共模电压有一定的改善的结论。文献[]针对三相脉冲宽度调制PWM变流器中开关管驱动电源受到主电路电磁干扰EMI的问题进行分析,研究如何提升电磁兼容EMC性能,并建立起了高频传导模型。文献[]分析了对大功率交直交变流器影响较大的电磁干扰源和电磁干扰EMI的耦合途径。文献[]搭建了一个高速动车组牵引变流器及其供电系统的模型,通过仿真来模拟电磁场的对外辐射情况。

牵引变流器箱体内部电源线、信号线以及各种高低压元件集成在一起,电磁环境较为复杂,本文针对牵引变流器的这一问题,对其内部干扰源作了具体的分析,并提出了电磁干扰的抑制方法。

2  牵引变流器的电磁干扰来源

牵引变流器的电磁干扰主要来自半导体器件工作时的瞬态通断过程和电力线缆的对外辐射,两种干扰都可能会引起设备性能的降低完全丧失。

2.1  牵引变流器开关器件的电磁干扰

牵引变流器中的功率开关器件IGBT在工作时,电流电压在短时间发生跳变,产生很高的,干扰主要包括:1实际的驱动电路和主电路都存在着杂散分布电容和分布电感,跳变电压会在电容上产生很大的充电或放电电流,1nF的电容就可以产生几到几十安培的电流瞬态脉冲,产生严重的电磁干扰;跳变电流则会在杂散电感上感应出电压。2跳变电流会产生电流环路,形成辐射天线,对空间产生辐射电磁场。3逆变电路开关中形成的PWM波形除了有用的基波外,还含有大量的高次谐波,谐波频率从几千赫兹到几百千赫兹,对周围设备产生辐射影响。4控制系统中的时钟信号会产生对外差模与共模辐射。

2.2  牵引变流器电力电缆的电磁干扰

牵引变流器主要包括整流模块、中间直流环节和逆变模块三个部分,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。中间直流环节作为连接整流器与逆变器的媒介,起到稳压和滤波的作用。电路中的电缆是牵引变流系统中导致电磁兼容问题的主要因素之一,它是一根高效的辐射天线,另外,电缆中的导线平行布置距离长,导线之间存在较大的分布电容和互电感,会导致导线之间发生信号的串扰。电力电缆上的交变电压和电流势必会产生电场和磁场向外辐射,此外,半导体开关IGBT动作产生的高次谐波会通过电缆传导,产生电磁场,进而对敏感器件形成干扰。

3  牵引变流器的电磁干扰耦合途径和发射机理

电磁能量从设备内传出或从外界传入设备的途径只有两条:一条是以电磁波的形式从空间传播;另一条是以电流的形式沿导线传播。因此,电磁干扰发射可以分为辐射发射和传导发射。

电缆产生辐射的机理有两种,如图1所示:一种是电缆中的信号电流(差模电流)回路产生的差摸辐射;另一种是电缆中的导线(包括屏蔽层)上的共模电流产生的共模辐射。

                                                                                                                                            

1  电缆辐射原理

3.1  差模辐射

对于电缆中的差模辐射,若环路中的电流是均匀的,可以采用电流环天线模型进行估算,若环路尺寸较大,环路中的电流不均匀,实际的辐射强度比用电流环天线模型计算的小,这对于辐射强度的预测有益,另外,电流环天线模型假设回路的阻抗为零,而实际电路并不是这样,因此需要修正,在回路中考虑一定的阻抗。考虑电路阻抗后的辐射情况的差摸辐射模型如图2所示。

 


2
  电路的差模辐射模型

 

 

环路面积A是一个影响辐射的主要因素。一般情况下,电缆中都包含信号线和信号地线,这时信号线和回线之间的距离很小,形成的差模电流回路的面积也很小,差模辐射往往并不强,若利用机壳或其它公共导体作为电流回线,则往往会形成较大的差模回路面积。这在产品设计中要尽量避免

3.2  共模辐射

共模辐射是电缆辐射的主要来源,电缆与大地或邻近的其它大型导体之间会形成共模电压,在这个电压的驱动下,共模回路中产生共模电流,又因为共模电流具有较大的环路面积,所以会产生较强的辐射。共模回路通常是由分布电容构成,如图3所示。

3  电缆上的共模电压

牵引变流器共模电流产生的原因主要有3点:

1差模电流转换成共模电流

2电路板的地线噪声导致的共模电流

3机箱内电磁波空间感应导致的共模电流

4  牵引变流器的电磁干扰抑制

在进行整车辐射发射测试时,根据标准,测试的频段在之间,在此频段内涵盖了车辆的通信频率、电视信号频率、调频广播频率等。所以对其电磁干扰进行抑制,可有效提高列车运行的安全性与稳定性。目前,接地、电磁屏蔽和滤波是提高牵引变流器电磁兼容性的三种主要措施。

4.1  电磁屏蔽

电磁屏蔽就是通过屏蔽外壳将元器件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来,防止干扰电磁场向外扩散,同时防止系统受到外界电磁场的干扰。对于低频交变磁场,可采用高磁导率材料,如铁镍合金构成低磁阻通路屏蔽磁场;对于高频磁屏蔽,屏蔽外壳可采用铝或铜等高电导率的导电材料。若制造屏蔽体材料的屏蔽效能较高,影响屏蔽体屏蔽效能的因素有两个。

1屏蔽体的导电连续性。但是在牵引变流器外壳上会有很多孔洞(通风口、显示口等)和缝隙,这些孔洞和缝隙影响了屏蔽体导电连续性,会产生电磁泄漏,影响屏蔽效能。

2穿过屏蔽机箱的导体。机箱上总会有电缆穿出,这些电缆会极大危害屏蔽体使屏蔽体的屏蔽效能降低数十分贝。

4.2  干扰滤波

把干扰滤波和电磁屏蔽两项技术结合在一起才能切断电磁能量传播的所有途径(传导和辐射)。牵引变流器机箱上的外拖电缆起着天线的作用,其产生的电磁辐射远高于由于机箱屏蔽不完整发生泄漏时产生的辐射,可以在电缆的端口处安装滤波器将干扰电流消除掉。图4为某型号牵引变流器在频段的磁场辐射发射值,曲线1为原始测试曲线,可以看出在附近有越限隐患,在牵引变流器输入电抗器的前端加上了的滤波电容构成滤波回路后再次测试,得到了曲线2,磁场辐射发射值有明显下降,滤波效果显著。

                                                      

4  磁场辐射发射测试曲线

5  结束语

牵引变流器是轨道车辆的主要电磁干扰发射源,其电磁兼容特性的优劣很大程度上决定了整车是否能通过电磁兼容标准测试,直接影响到轨道列车运行的稳定性与安全性。其电磁干扰主要来自电缆与开关器件两方面,通过实验验证了滤波对干扰有着显著地优化效果,为牵引变流器电磁兼容的设计提供了参考。

 

 
    

 
 
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