某地鐵牽引變流器的電磁兼容性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

孫佳偉，尹國龍，高占威，趙云松

(1.中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116052；2.北京經(jīng)緯恒潤科技有限公司，北京 100191)

0 引 言

近年來，隨著我國高鐵、城軌車輛出口到歐美市場，帶來了車輛的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)必須與國際對接的問題，也對電磁試驗(yàn)的規(guī)范性提出了更高的要求。由于多數(shù)軌道車輛的設(shè)備級電磁兼容性(EMC)試驗(yàn)驗(yàn)證缺乏規(guī)范性的試驗(yàn)方案，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的有效性以及可重復(fù)性低。

有鑒于此，本文以某地鐵牽引變流器為研究對象，提出一種規(guī)范試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)開發(fā)流程，以及電磁兼容試驗(yàn)的系統(tǒng)性方案，以此來提高軌道交通設(shè)備電磁兼容性試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

1 牽引變流器介紹

牽引變流器作為軌道車輛動(dòng)力總成系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其核心功能是將電源母線上的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)、電壓可調(diào)(VVVF)的三相交流電，并以此實(shí)現(xiàn)對三相異步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。因此，通過調(diào)節(jié)牽引變流器的輸出頻率和電壓就可以改變牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對車輛運(yùn)行速度的調(diào)節(jié)以及起停控制。

本文以大連電力牽引研發(fā)中心研制的某型號(hào)牽引變流器為分析對象，其結(jié)構(gòu)外形如圖1所示。

圖1 某型牽引變流器結(jié)構(gòu)圖

該型變流器采用了模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)上自左至右依次分為A、B、C和D這4個(gè)艙室。A艙和D艙用于輸出主電路三相電用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；B艙內(nèi)裝有接觸器、傳感器等用于控制以及監(jiān)測的裝置；C艙為中控艙，用于控制板以及通訊板的安置；D艙用于輸入重載信號(hào)。操作人員可通過中控端對變流器輸入適當(dāng)?shù)男盘?hào)，實(shí)現(xiàn)變流器在不同條件下的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也可以通過傳感器的反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)對變流器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

對牽引變流器展開分析主要有3個(gè)方面：

(1)從信號(hào)層面完成對變流器的干擾源、敏感信號(hào)和干擾耦合路徑等電磁兼容性要素的分析；

(2)基于變流器的功能特點(diǎn)以及應(yīng)用場景設(shè)計(jì)較為詳細(xì)的電磁兼容性試驗(yàn)方案；

(3)設(shè)計(jì)可有效模擬變流器實(shí)車環(huán)境電磁邊界的電磁兼容性試驗(yàn)臺(tái)架。

2 電磁兼容要素分解

首先，對其內(nèi)部所包含的“電磁兼容三要素”，即干擾源、敏感信號(hào)以及潛在干擾的耦合路徑進(jìn)行劃分；同時(shí)，對變流器的典型運(yùn)行狀況以及電氣特性進(jìn)行綜合考慮。

將變流器的信號(hào)端口做為試驗(yàn)對象?？紤]到變流器在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，需要滿足其本身與環(huán)境之間以及自身內(nèi)部各元器件之間兩個(gè)方面的電磁兼容性要求，從兩個(gè)方面進(jìn)行電磁兼容要素分解：

(1)以變流器各個(gè)艙室接變流器外部附屬設(shè)備的端口為分析對象；

(2)以變流器各艙艙體內(nèi)部信號(hào)走線以及艙體間的互聯(lián)信號(hào)對分析對象。

本研究選擇其典型額定工況為變流器工作模式，并完成對其電磁兼容性要素的統(tǒng)計(jì)分類表。變流器各艙室的端口信號(hào)、端口功能、信號(hào)類型以及關(guān)鍵參數(shù)等如表1所示。

表1 某型牽引變流器電磁兼容要素分類統(tǒng)計(jì)表

其中，本研究對各端口信號(hào)所屬的電磁兼容性要素范圍、風(fēng)險(xiǎn)評估以及關(guān)鍵程度進(jìn)行了逐一定義。該劃分具有通用性。后續(xù)在進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)中，表1中標(biāo)注有高風(fēng)險(xiǎn)的要素分類端口將會(huì)被著重考慮。

3 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

目前，國際上軌道交通類電磁兼容性試驗(yàn)主要以EN 50121系列標(biāo)準(zhǔn)為參考，國內(nèi)與之相對應(yīng)的是GB/T 24338系列標(biāo)準(zhǔn)。GB/T 24338源自EN 50121系列標(biāo)準(zhǔn)，其中結(jié)合我國軌道行業(yè)進(jìn)行了修正[1]。為了使試驗(yàn)方案更具通用性，EN 50121系列標(biāo)準(zhǔn)將被作為制定方案的參考標(biāo)準(zhǔn)。

EN 50121標(biāo)準(zhǔn)共包含6個(gè)部分，分別為[2-7]：

第1部分，通則；第2部分，鐵路系統(tǒng)對環(huán)境的輻射發(fā)射；第3-1部分，軌道車輛-列車及配套車輛；第3-2部分，軌道車輛-車輛設(shè)備；第4部分，通訊設(shè)備的發(fā)射與抗擾度；第5部分，地面供電設(shè)備的發(fā)射和抗擾度標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了鐵路系統(tǒng)和軌道車輛對環(huán)境的輻射發(fā)射要求，以及軌道車輛設(shè)備、通訊設(shè)備和變電站供電設(shè)施的電磁兼容性要求。標(biāo)準(zhǔn)對軌道交通系統(tǒng)以及車輛(設(shè)備)在進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)時(shí)的運(yùn)行狀況、試驗(yàn)場地、適用條件以及試驗(yàn)等級等信息進(jìn)行了詳細(xì)描述。在表1統(tǒng)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，本研究結(jié)合EN 50121系列標(biāo)準(zhǔn)要求來設(shè)計(jì)變流器的電磁兼容性試驗(yàn)方案。

本文以EN 50121-3-2作為參考標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合變流器干擾源、敏感信號(hào)以及干擾耦合路徑等相關(guān)特點(diǎn)，選取針對性的測試項(xiàng)來構(gòu)建測試方案。針對該型變流器所制定的電磁兼容性試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 牽引變流器設(shè)備級電磁兼容試驗(yàn)預(yù)案

電磁兼容性試驗(yàn)方案中各試驗(yàn)項(xiàng)需要明確設(shè)備的運(yùn)行情況，并且工況的制定必須參考設(shè)備的實(shí)車運(yùn)行狀況。在試驗(yàn)方案中，對變流器規(guī)定幾種不同工況下的典型工作模式，以便全面掌握變流器不同工況下的電磁兼容性特性。

試驗(yàn)方案中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求明確變流器在各項(xiàng)試驗(yàn)中的空間位置、擺放姿態(tài)、線纜長度、所用測試設(shè)備以及方法等信息。

3.1 輻射發(fā)射

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 50121-3-2的要求，該項(xiàng)試驗(yàn)參考EN 55011進(jìn)行，試驗(yàn)在10米法或者3米法半波暗室內(nèi)進(jìn)行。由于地面反射的原因，推薦選10米法暗室作為測試場地。

輻射發(fā)射試驗(yàn)布置如圖2所示。

圖2 輻射發(fā)射試驗(yàn)布置

本研究將變流器及其輔助設(shè)備(如驅(qū)動(dòng)電機(jī))放置與絕緣支撐板上(厚度15 cm)。接收天線參考中心與變流器被測面距離10 m。對變流器某一側(cè)面進(jìn)行測試即可，可以選取靠近騷擾源的側(cè)面作為測試面，測試中天線需在1 m～4 m的高度范圍對其進(jìn)行掃描，測量并選取最大值。

為了保證測試的準(zhǔn)確性，測試前需對測試場地的底噪聲進(jìn)行測量記錄，保證環(huán)境底噪需比發(fā)射限值低6 dB以上。

3.2 傳導(dǎo)發(fā)射

傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)所針對的對象是變流器低壓控制器的110VDC供電端口。根據(jù)EN 50121-3-2的要求，傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)方法需參考EN 55016-2-1，其中涉及到3種測試設(shè)備：人工電源網(wǎng)絡(luò)(AMN)、電壓探頭(VP)、電流探頭(CP)。

利用人工電源網(wǎng)絡(luò)可以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果，并且在固定工作模式下，該測試方法也能較好地保證測試結(jié)果的一致性。只有在使用AMN受試設(shè)備無法正常工作時(shí)，才會(huì)考慮使用電壓探頭或者電流探頭作為測試接收設(shè)備。針對牽引變流器，本研究選擇AMN法進(jìn)行測試。

AMN法傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)所用的AMN需滿足高壓要求的。測試中，變流器以及輔助設(shè)備置于絕緣支撐板上(厚度15 cm)，外部110 VDC電源通過人工電源網(wǎng)絡(luò)給變流器控制器供電。測量接收機(jī)通過AMN上的測量端口對被測線上的干擾進(jìn)行測量。

3.3 射頻共模傳導(dǎo)抗擾

根據(jù)EN 50121-3-2要求，試驗(yàn)方法參考EN 61000-4-6。射頻共模傳導(dǎo)干擾的注入方式一般有3種：耦合去耦網(wǎng)絡(luò)注入法(CDN法)、電磁/電流卡鉗注入法、直接注入法。

根據(jù)EN 61000-4-6，控制電源端選擇CDN注入法，而對于控制信號(hào)線和反饋信號(hào)線，則選擇電磁卡鉗或者電流卡鉗作為干擾注入設(shè)備?？紤]到變流器的內(nèi)部空間有限以及線束數(shù)量較多的情況，可以選用電流卡鉗作為注入設(shè)備。

CDN法試驗(yàn)布置圖如圖3所示。

圖3 CDN法傳到抗擾試驗(yàn)布置

電流卡鉗法的試驗(yàn)布置圖如圖4所示。

圖4 電流卡鉗法傳到抗擾試驗(yàn)布置

在試驗(yàn)中，變流器以及其輔助設(shè)備均需放置于高度15 cm的絕緣支撐上，且設(shè)備各個(gè)線纜距離地面高度應(yīng)不小于30 cm。

3.4 快速瞬變傳導(dǎo)抗擾

該項(xiàng)試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)EN 61000-4-4，針對110 VDC電源端口以及控制線和信號(hào)線兩種測試對象，本研究選CDN法和容性耦合夾法來進(jìn)行試驗(yàn)。

對于110 VDC電源端口的瞬變脈沖群測試，試驗(yàn)布置與針對其的射頻共模傳導(dǎo)抗擾試驗(yàn)相似。對于控制線和信號(hào)線的容性耦合夾法的瞬變脈沖群測試，試驗(yàn)布置圖如圖5所示。

圖5 控制線和信號(hào)線瞬變脈沖群試驗(yàn)布置

試驗(yàn)中，受試變流器以及其輔助設(shè)備需放置在厚度不超過15 cm的絕緣支撐上。

3.5 浪涌抗擾

浪涌抗擾度試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)EN 61000-4-5進(jìn)行，按照標(biāo)準(zhǔn)中描述的耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)的選擇方法，測試對象為變流器的110 VDC供電端口，試驗(yàn)分為線-線耦合和線-地耦合兩類，測試布置示意圖如圖(6，7)所示。

圖6 線-線浪涌試驗(yàn)布置

圖7 線-地浪涌試驗(yàn)布置

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，耦合網(wǎng)絡(luò)與變流器之間的線束長度應(yīng)最長不超過2 m。線-線浪涌試驗(yàn)中的耦合網(wǎng)絡(luò)阻抗要求為18 μF，線-地浪涌試驗(yàn)中的耦合網(wǎng)絡(luò)阻抗要求為(9 μF+10 Ω)。去耦網(wǎng)絡(luò)中L最大不超過1.5 mH，選取電容X和Y時(shí)，需滿足在不接入DUT時(shí)注入浪涌的情況下，去耦網(wǎng)絡(luò)輸入端所測得的脈沖峰值不超過所施加脈沖峰值15%的要求。

3.6 射頻輻射抗擾

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 50121-3-2的要求，射頻輻射抗擾試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)EN 61000-4-3所描述的方法進(jìn)行，試驗(yàn)布置示意圖如圖8所示。

圖8 輻射抗擾試驗(yàn)布置

與輻射發(fā)射試驗(yàn)不同，為了保證測試場強(qiáng)的均勻度要求，通常需在發(fā)射天線與受試設(shè)備之間加鋪一定面積的吸波材料(鐵氧體板和尖劈)降低地面反射。對于變流器設(shè)備需放置于過15 cm厚的絕緣支撐上。

輻射抗擾試驗(yàn)要求使用3 m法進(jìn)行，并且須在天線水平極化以及垂直極化兩種條件下進(jìn)行，天線高度設(shè)置為1.5 m。

3.7 靜電放電

參考標(biāo)準(zhǔn)EN 61000-4-2的要求，靜電放電試驗(yàn)需在溫度15 ℃～35 ℃和相對濕度30%～60%的環(huán)境條件下進(jìn)行，本研究選用150 pF,330 Ω放電網(wǎng)絡(luò)，放電類型分接觸放電以及空氣放電兩種。

根據(jù)EN 50121-3-2的要求，軌道交通設(shè)備的靜電放電試驗(yàn)只適用于非維護(hù)狀態(tài)下，有可能被列車乘客或者設(shè)備操作人員碰觸或者接近的情況。針對牽引變流器，靜電釋放位置選擇變流器的控制面板、操作開關(guān)等有可能出現(xiàn)被人為接觸的位置。

4 試驗(yàn)臺(tái)架的改進(jìn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，針對受試設(shè)備實(shí)際使用情況的不同，試驗(yàn)中設(shè)備通常采取兩類支撐放置方式，一種情況為將設(shè)備放置在80 cm高的絕緣實(shí)驗(yàn)臺(tái)上[8-9]，該種方式通常適用于臺(tái)式設(shè)備；另一種情況則直接將設(shè)備至于地面上，通過一個(gè)厚度不超過15 cm的木板來支撐，這種方式一般只針對大型的機(jī)箱機(jī)柜。

對于牽引變流器來講，傳統(tǒng)的試驗(yàn)布置與其實(shí)車安裝布置相去甚遠(yuǎn)，這使得其在試驗(yàn)條件下的電磁邊界條件與實(shí)車安裝時(shí)的電磁邊界存在較大差異，這種差異會(huì)在一定程度上加大變流器電磁兼容性測試與整車測試結(jié)果的不一致性，尤其對于發(fā)射類試驗(yàn)(如輻射發(fā)射、傳導(dǎo)發(fā)射等)的影響較為明顯。

為了模擬變流器實(shí)車條件下的安裝環(huán)境，需盡可能在不違反標(biāo)準(zhǔn)其他要求的前提下，對變流器的試驗(yàn)支撐臺(tái)架進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，借助設(shè)備級試驗(yàn)方案盡可能地評估設(shè)備在系統(tǒng)級試驗(yàn)的中的電磁兼容性特性。

本文設(shè)計(jì)電磁兼容試驗(yàn)臺(tái)架如圖9所示。

圖9 牽引變流器電磁兼容性試驗(yàn)臺(tái)架臺(tái)架A—面積金屬材質(zhì)蓋板，用于模擬軌道車輛底部；B—變流器；C—可移動(dòng)且高度可調(diào)的支撐，材質(zhì)多為低介電常數(shù)非導(dǎo)電材質(zhì)

整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)架可有效承載總重2 000 kg以內(nèi)的受試設(shè)備以及附屬裝置。

利用改進(jìn)后的試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行電磁兼容性試驗(yàn)，可以根據(jù)變流器在實(shí)車中的空間位置，合理調(diào)整測試臺(tái)架的支撐高度和位置，從而可以實(shí)現(xiàn)模擬變流器在實(shí)車環(huán)境下所處的電磁邊界的功能。

5 結(jié)束語

本研究以大連電牽公司某型牽引變流器為研究對象，針對其電氣特性,在完成對變流器電磁兼容性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的同時(shí)，還概述了軌道交通中設(shè)備級電磁兼容試驗(yàn)方案的一般設(shè)計(jì)流程和方法，該流程以及方法可以有效提升試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的科學(xué)性與規(guī)范性。

本研究第4部分針對牽引變流器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及實(shí)車安裝位置，設(shè)計(jì)了一種較為通用的試驗(yàn)臺(tái)架，通過擬合其在實(shí)車中的環(huán)境邊界條件以及設(shè)備的接地方式，來改善變流器設(shè)備級EMC測試結(jié)果與整車EMC測試結(jié)果的一致性。該設(shè)計(jì)目前正用于某型號(hào)牽引變流器的EMC試驗(yàn)驗(yàn)證，后續(xù)有待取得進(jìn)一步的驗(yàn)證成果。