某地鐵牽引變流器的電磁兼容性試驗方案設計

孫佳偉，尹國龍，高占威，趙云松

(1.中車大連電力牽引研發中心有限公司，遼寧 大連 116052；2.北京經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準必須與國際對接的問題，也對電磁試驗的規范性提出了更高的要求。由于多數軌道車輛的設備級電磁兼容性(EMC)試驗驗證缺乏規范性的試驗方案，導致試驗結果的有效性以及可重復性低。

有鑒于此，本文以某地鐵牽引變流器為研究對象，提出一種規范試驗方案的設計開發流程，以及電磁兼容試驗的系統性方案，以此來提高軌道交通設備電磁兼容性試驗的準確性和可重復性。

1 牽引變流器介紹

牽引變流器作為軌道車輛動力總成系統中的關鍵設備，其核心功能是將電源母線上的直流電轉變為頻率可調、電壓可調(VVVF)的三相交流電，并以此實現對三相異步電機的驅動。因此，通過調節牽引變流器的輸出頻率和電壓就可以改變牽引電機的轉速，從而實現對車輛運行速度的調節以及起停控制。

本文以大連電力牽引研發中心研制的某型號牽引變流器為分析對象，其結構外形如圖1所示。

圖1 某型牽引變流器結構圖

該型變流器采用了模塊化設計，結構上自左至右依次分為A、B、C和D這4個艙室。A艙和D艙用于輸出主電路三相電用于驅動電機運轉；B艙內裝有接觸器、傳感器等用于控制以及監測的裝置；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。操作人員可通過中控端對變流器輸入適當的信號，實現變流器在不同條件下的運行狀態，同時也可以通過傳感器的反饋信號實現對變流器運行狀態的實時監控。

對牽引變流器展開分析主要有3個方面：

(1)從信號層面完成對變流器的干擾源、敏感信號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以及應用場景設計較為詳細的電磁兼容性試驗方案；

(3)設計可有效模擬變流器實車環境電磁邊界的電磁兼容性試驗臺架。

2 電磁兼容要素分解

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

將變流器的信號端口做為試驗對象。考慮到變流器在運行狀態時，需要滿足其本身與環境之間以及自身內部各元器件之間兩個方面的電磁兼容性要求，從兩個方面進行電磁兼容要素分解：

(1)以變流器各個艙室接變流器外部附屬設備的端口為分析對象；

(2)以變流器各艙艙體內部信號走線以及艙體間的互聯信號對分析對象。

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計分類表。變流器各艙室的端口信號、端口功能、信號類型以及關鍵參數等如表1所示。

表1 某型牽引變流器電磁兼容要素分類統計表

其中，本研究對各端口信號所屬的電磁兼容性要素范圍、風險評估以及關鍵程度進行了逐一定義。該劃分具有通用性。后續在進行電磁兼容性試驗方案的設計中，表1中標注有高風險的要素分類端口將會被著重考慮。

3 試驗方案的設計

目前，國際上軌道交通類電磁兼容性試驗主要以EN 50121系列標準為參考，國內與之相對應的是GB/T 24338系列標準。GB/T 24338源自EN 50121系列標準，其中結合我國軌道行業進行了修正[1]。為了使試驗方案更具通用性，EN 50121系列標準將被作為制定方案的參考標準。

EN 50121標準共包含6個部分，分別為[2-7]：

第1部分，通則；第2部分，鐵路系統對環境的輻射發射；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-車輛設備；第4部分，通訊設備的發射與抗擾度；第5部分，地面供電設備的發射和抗擾度標準涵蓋了鐵路系統和軌道車輛對環境的輻射發射要求，以及軌道車輛設備、通訊設備和變電站供電設施的電磁兼容性要求。標準對軌道交通系統以及車輛(設備)在進行電磁兼容性試驗時的運行狀況、試驗場地、適用條件以及試驗等級等信息進行了詳細描述。在表1統計內容的基礎上，本研究結合EN 50121系列標準要求來設計變流器的電磁兼容性試驗方案。

本文以EN 50121-3-2作為參考標準，并結合變流器干擾源、敏感信號以及干擾耦合路徑等相關特點，選取針對性的測試項來構建測試方案。針對該型變流器所制定的電磁兼容性試驗方案如表2所示。

表2 牽引變流器設備級電磁兼容試驗預案

電磁兼容性試驗方案中各試驗項需要明確設備的運行情況，并且工況的制定必須參考設備的實車運行狀況。在試驗方案中，對變流器規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。

試驗方案中，根據標準要求明確變流器在各項試驗中的空間位置、擺放姿態、線纜長度、所用測試設備以及方法等信息。

3.1 輻射發射

根據標準EN 50121-3-2的要求，該項試驗參考EN 55011進行，試驗在10米法或者3米法半波暗室內進行。由于地面反射的原因，推薦選10米法暗室作為測試場地。

輻射發射試驗布置如圖2所示。

圖2 輻射發射試驗布置

本研究將變流器及其輔助設備(如驅動電機)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。對變流器某一側面進行測試即可，可以選取靠近騷擾源的側面作為測試面，測試中天線需在1 m～4 m的高度范圍對其進行掃描，測量并選取最大值。

為了保證測試的準確性，測試前需對測試場地的底噪聲進行測量記錄，保證環境底噪需比發射限值低6 dB以上。

3.2 傳導發射

傳導發射試驗所針對的對象是變流器低壓控制器的110VDC供電端口。根據EN 50121-3-2的要求，傳導發射試驗方法需參考EN 55016-2-1，其中涉及到3種測試設備：人工電源網絡(AMN)、電壓探頭(VP)、電流探頭(CP)。

利用人工電源網絡可以得到較為準確的結果，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果的一致性。只有在使用AMN受試設備無法正常工作時，才會考慮使用電壓探頭或者電流探頭作為測試接收設備。針對牽引變流器，本研究選擇AMN法進行測試。

AMN法傳導發射試驗所用的AMN需滿足高壓要求的。測試中，變流器以及輔助設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絡給變流器控制器供電。測量接收機通過AMN上的測量端口對被測線上的干擾進行測量。

3.3 射頻共模傳導抗擾

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

根據EN 61000-4-6，控制電源端選擇CDN注入法，而對于控制信號線和反饋信號線，則選擇電磁卡鉗或者電流卡鉗作為干擾注入設備。考慮到變流器的內部空間有限以及線束數量較多的情況，可以選用電流卡鉗作為注入設備。

CDN法試驗布置圖如圖3所示。

圖3 CDN法傳到抗擾試驗布置

電流卡鉗法的試驗布置圖如圖4所示。

圖4 電流卡鉗法傳到抗擾試驗布置

在試驗中，變流器以及其輔助設備均需放置于高度15 cm的絕緣支撐上，且設備各個線纜距離地面高度應不小于30 cm。

3.4 快速瞬變傳導抗擾

該項試驗參考標準EN 61000-4-4，針對110 VDC電源端口以及控制線和信號線兩種測試對象，本研究選CDN法和容性耦合夾法來進行試驗。

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

圖5 控制線和信號線瞬變脈沖群試驗布置

試驗中，受試變流器以及其輔助設備需放置在厚度不超過15 cm的絕緣支撐上。

3.5 浪涌抗擾

浪涌抗擾度試驗參考標準EN 61000-4-5進行，按照標準中描述的耦合/去耦網絡的選擇方法，測試對象為變流器的110 VDC供電端口，試驗分為線-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-線浪涌試驗布置

圖7 線-地浪涌試驗布置

根據標準要求，耦合網絡與變流器之間的線束長度應最長不超過2 m。線-線浪涌試驗中的耦合網絡阻抗要求為18 μF，線-地浪涌試驗中的耦合網絡阻抗要求為(9 μF+10 Ω)。去耦網絡中L最大不超過1.5 mH，選取電容X和Y時，需滿足在不接入DUT時注入浪涌的情況下，去耦網絡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

根據標準EN 50121-3-2的要求，射頻輻射抗擾試驗參考標準EN 61000-4-3所描述的方法進行，試驗布置示意圖如圖8所示。

圖8 輻射抗擾試驗布置

與輻射發射試驗不同，為了保證測試場強的均勻度要求，通常需在發射天線與受試設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。對于變流器設備需放置于過15 cm厚的絕緣支撐上。

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

3.7 靜電放電

參考標準EN 61000-4-2的要求，靜電放電試驗需在溫度15 ℃～35 ℃和相對濕度30%～60%的環境條件下進行，本研究選用150 pF,330 Ω放電網絡，放電類型分接觸放電以及空氣放電兩種。

根據EN 50121-3-2的要求，軌道交通設備的靜電放電試驗只適用于非維護狀態下，有可能被列車乘客或者設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、操作開關等有可能出現被人為接觸的位置。

4 試驗臺架的改進

根據標準要求，針對受試設備實際使用情況的不同，試驗中設備通常采取兩類支撐放置方式，一種情況為將設備放置在80 cm高的絕緣實驗臺上[8-9]，該種方式通常適用于臺式設備；另一種情況則直接將設備至于地面上，通過一個厚度不超過15 cm的木板來支撐，這種方式一般只針對大型的機箱機柜。

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

為了模擬變流器實車條件下的安裝環境，需盡可能在不違反標準其他要求的前提下，對變流器的試驗支撐臺架進行了設計改進，借助設備級試驗方案盡可能地評估設備在系統級試驗的中的電磁兼容性特性。

本文設計電磁兼容試驗臺架如圖9所示。

圖9 牽引變流器電磁兼容性試驗臺架臺架A—面積金屬材質蓋板，用于模擬軌道車輛底部；B—變流器；C—可移動且高度可調的支撐，材質多為低介電常數非導電材質

整個試驗臺架可有效承載總重2 000 kg以內的受試設備以及附屬裝置。

利用改進后的試驗臺架進行電磁兼容性試驗，可以根據變流器在實車中的空間位置，合理調整測試臺架的支撐高度和位置，從而可以實現模擬變流器在實車環境下所處的電磁邊界的功能。

5 結束語

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方案設計的同時，還概述了軌道交通中設備級電磁兼容試驗方案的一般設計流程和方法，該流程以及方法可以有效提升試驗方案設計的科學性與規范性。

本研究第4部分針對牽引變流器的結構特點以及實車安裝位置，設計了一種較為通用的試驗臺架，通過擬合其在實車中的環境邊界條件以及設備的接地方式，來改善變流器設備級EMC測試結果與整車EMC測試結果的一致性。該設計目前正用于某型號牽引變流器的EMC試驗驗證，后續有待取得進一步的驗證成果。