牽引變流器箱體電磁泄漏及電磁屏蔽設(shè)計(jì)研究

余　俊， 陸　陽， 陳　波

(1　北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100081；2　中國鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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牽引變流器箱體電磁泄漏及電磁屏蔽設(shè)計(jì)研究

余俊1， 陸陽2， 陳波2

(1北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100081；2中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

分析了牽引變流器電磁輻射治理的必要性，結(jié)合變流器箱體機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成了變流器箱體電磁泄漏測試，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)電磁泄漏嚴(yán)重的測點(diǎn)進(jìn)行排序，提出了電磁屏蔽設(shè)計(jì)建議，為變流器箱體電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

牽引變流器； 電磁干擾； 電磁屏蔽

機(jī)車、動(dòng)車組及地鐵列車整車試驗(yàn)主要針對(duì)軌道車輛進(jìn)行兩類電磁騷擾測試：(1)9 kHz～1 GHz 動(dòng)車組、機(jī)車、城軌列車對(duì)外射頻騷擾試驗(yàn)：該試驗(yàn)為IEC 61133-2-2006《鐵路設(shè)施—鐵路車輛—車輛組裝和運(yùn)行前的整車試驗(yàn)》中規(guī)定的型式試驗(yàn)項(xiàng)目，即所有列車必須通過此項(xiàng)試驗(yàn)，才能順利獲得合格證。(2)0～20 kHz動(dòng)車組、城軌列車車內(nèi)電磁環(huán)境測試：該試驗(yàn)參考TB/T 3351-2014《動(dòng)車組內(nèi)低頻磁場限值與測量方法》。

在2000年8月4日因?yàn)槲鏖T子Eurosprinter1116型速度230 km/h快速貨運(yùn)機(jī)車及動(dòng)力集中客運(yùn)動(dòng)車組上線后對(duì)軌道電路引入了電磁干擾，該機(jī)車進(jìn)入德國鐵路的許可證被取消了好幾個(gè)星期。

變流器這種大功率變壓變頻電力電子器件是動(dòng)車組、地鐵車輛及機(jī)車主要電磁輻射源之一。對(duì)變流器電氣設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化有益于變流器本身的運(yùn)行、有益于降低軌道車輛對(duì)道旁設(shè)備及居民信號(hào)設(shè)備的不利影響、有益于減少因輻射造成的司乘人員健康危害。

1　牽引變流器電磁輻射治理的必要性

1.1射頻干擾治理的必要性

動(dòng)車組對(duì)外部的9 kHz～1 GHz電磁輻射騷擾，雖然不至于影響道旁工業(yè)、居民電氣設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但對(duì)道旁信號(hào)設(shè)備、居民無線電臺(tái)及影音信號(hào)設(shè)備的影響是非常可觀的。通過型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，動(dòng)車組對(duì)道旁10 m處的射頻干擾信號(hào)強(qiáng)度超過無線廣播電視信號(hào)(AM、FM廣播、電視伴音信號(hào))強(qiáng)度的10倍以上，直接影響到居民收視收聽效果。

其次，型式試驗(yàn)是必做試驗(yàn)，也是必須達(dá)標(biāo)的試驗(yàn)。所以，變流器制造商在研發(fā)階段注意電磁兼容設(shè)計(jì)可以節(jié)約后續(xù)整改消耗的人力物力成本。

1.2低頻磁場輻射治理的必要性

動(dòng)車組內(nèi)電磁輻射是大眾持續(xù)關(guān)注的問題。美國和德國的相關(guān)研究表明：長期暴露在 0～20 kHz的低頻磁場輻射環(huán)境中的人群，癌癥發(fā)病率、不孕不育癥發(fā)病率、神經(jīng)衰弱、老年白內(nèi)障發(fā)病率比其他人群高。并且，超劑量的0～20 kHz磁場輻射有導(dǎo)致心臟起搏器和電動(dòng)輪椅停止工作的風(fēng)險(xiǎn)。

同樣，車內(nèi)的電磁輻射測試已經(jīng)加入了中國鐵路總公司動(dòng)車組研究性試驗(yàn)中，不排除未來該項(xiàng)試驗(yàn)的重視程度會(huì)提高。而且國家已經(jīng)發(fā)布了GB8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》對(duì)職業(yè)和公眾暴露有強(qiáng)制性的電磁發(fā)射限值要求。

2　牽引變流器電磁泄漏測試及分析

2.1牽引變流器電磁泄漏測試

(1) 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)部件：某廠家牽引變流器；

測試項(xiàng)目：電磁泄漏測試；

測試環(huán)境：中國鐵道科學(xué)研究院東郊分院交流傳動(dòng)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室。

(2) 試驗(yàn)設(shè)備

EMI接收機(jī)，近場探頭。

(3) 試驗(yàn)方法

牽引變流器控制電機(jī)模擬動(dòng)車組以(50±10) km/h運(yùn)行，陪試牽引變流器調(diào)節(jié)陪試電機(jī)提供被試電機(jī)約最大牽引或電制力1/3的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

在牽引變流器底板縫隙，2個(gè)側(cè)板每個(gè)箱門，前面板四象限輸入電纜、前面板電機(jī)電纜等處，使用近場探頭測試30～230 MHz電磁泄漏。

2.2試驗(yàn)現(xiàn)場照片及變流器箱體結(jié)構(gòu)(圖1～圖6)

交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)包含完整的牽引組合系統(tǒng)，即25 kV單相交流電源、牽引變壓器、被試牽引變流器、陪試變流器、被試電機(jī)、傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)及陪試電機(jī)[1]。

牽引變流器部件在機(jī)械結(jié)構(gòu)上分為箱體主體、2個(gè)側(cè)板、背板、進(jìn)出線板以及底板。各板與箱體采用整體焊接結(jié)構(gòu)。

圖1　異步電機(jī)背靠背、交流能量互饋系統(tǒng)原理圖

圖2　試驗(yàn)室現(xiàn)場照片

2.3測試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

由于測試數(shù)據(jù)量大且受篇幅限制。本文給出典型電磁泄漏測試點(diǎn)數(shù)據(jù)，如圖7～圖10所示，紫色線為電磁泄漏信號(hào)，黃色線為背景噪聲。

圖3　被試牽引變流器總體結(jié)構(gòu)圖

圖4　牽引變流器進(jìn)出線板正視圖

圖5　牽引變流器背板正視圖

圖6　牽引變流器底板正視圖

圖7　牽引變流器底板正視圖

圖8　進(jìn)出線板-電機(jī)電纜現(xiàn)場照片+測試數(shù)據(jù)

圖9　進(jìn)出線板-牽引控制單元航插現(xiàn)場照片+測試數(shù)據(jù)

圖10　進(jìn)出線板-焊縫現(xiàn)場照片+試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

在30～230 MHz測試頻段內(nèi)，按照牽引變流器各箱門及進(jìn)出線口的電磁泄漏嚴(yán)重程度排序，找出4個(gè)泄漏最嚴(yán)重的測點(diǎn)，見表1。

表1　泄漏最嚴(yán)重的4個(gè)測點(diǎn)

3　變流器電磁屏蔽設(shè)計(jì)建議

在變流器設(shè)計(jì)中，變流器側(cè)門的密封圈為絕緣體。而近場電磁屏蔽的必要條件是采用高電導(dǎo)率的金屬屏蔽體，并且進(jìn)行良好接地[2]。所以應(yīng)當(dāng)考慮：(1)將絕緣密封圈更換為導(dǎo)電襯墊或?qū)щ娤鹉z。(2)將門縫處的絕緣漆去除，并保證導(dǎo)電橡膠良好地與箱體金屬面接觸。

目前能制成纖維的金屬有鋁、鐵、銅、鉬、鉛和鎢。市場上最常用的是鋁纖維、不銹鋼纖維和銅纖維。可參考表2對(duì)屏蔽材料進(jìn)行選擇。

底板處四邊開了6～8個(gè)螺栓孔，該部分主要為孔隙泄漏。電磁泄漏程度與接觸面的表面粗糙度、開孔大小有關(guān)。在加工底板時(shí)，注意底板與變流器接縫處4個(gè)邊的表面加工精度，降低表面粗糙度，以保證底板與變流器箱體的良好連接。

底板和變流器接縫處可考慮去除變流器箱體接縫處的絕緣漆，并在底板處增加導(dǎo)電橡膠或者導(dǎo)電布,螺孔處可加銅網(wǎng)。

正面進(jìn)線板電磁泄漏最大，因其不僅開了20多個(gè)螺孔，而且還有20多個(gè)進(jìn)大線孔。進(jìn)線孔處應(yīng)當(dāng)增加金屬導(dǎo)線管，并保持與正面板的密封。

表2　幾種常見屏蔽材料的性能

4　結(jié)束語

電磁屏蔽技術(shù)是電磁兼容技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，是抑制電磁輻射干擾的重要手段。本文分析了牽引變流器電磁輻射治理的必要性，結(jié)合變流器箱體機(jī)械結(jié)構(gòu)，完成了變流器箱體電磁泄漏測試，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)電磁泄漏嚴(yán)重的測點(diǎn)進(jìn)行排序，提出了電磁屏蔽設(shè)計(jì)建議，為變流器箱體電磁屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

[1]李偉，張黎. 鐵道牽引交流傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展[J].鐵道機(jī)車車輛，2008,28(S1)121-124.

[2]劉順華.電磁波屏蔽及吸波材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007年.

Research on the EMI Leakage of Traction Converter and Electromagnetic Shielding Design

YUJun1,LUYang2,CHENBo2

(1Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100081, China;2Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The necessity of Governance of traction converter EMI leakage was analyzed in this article. The EMI leakage of traction converter was tested combined with mechanical structure. Moreover, this research analyzes the test data and ranks the leakage severity of all test point. Lastly, this article provides advices of EMC design and summarizes the methods of Mechanical Design for traction converter.

traction converter; EMI; Electromagnetic shielding

1008-7842 (2016) 03-0134-04

男，工程師(

2015-12-18)

U264.3+7

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.30