軌道車輛變頻空調電磁兼容性設計及應用

盧明書，趙康杰，徐 銘，史勇進

(山東朗進科技股份有限公司 技術中心，山東 濟南 271100)

隨著軌道交通和電力電子技術的發展，對軌道車輛小型化、輕量化和節能的要求不斷提高，軌道車輛變頻空調以其優越的節能特性和舒適特性被廣泛應用于地鐵、輕軌、城際列車等。由于軌道車輛變頻空調內部功率器件在開關轉換過程中產生較大的電壓變化率和電流變化率，容易形成較強的電磁干擾，因此變頻空調機組電氣系統的設計需滿足電磁兼容性設計標準。

1 軌道車輛變頻空調電磁干擾分析

變頻空調逆變系統中，IGBT處于快速通斷模式，逆變器輸出為方波脈沖電壓，由于逆變器輸出電纜與空調機殼之間、電動機與空調機殼之間都存在分布電容，因此逆變器輸出的方波脈沖電壓導致分布電容充放電，產生共模干擾。共模干擾電壓疊加在電源輸入端口，當進行傳導騷擾測試時,在線路阻抗穩定網絡(LISN)上形成傳導騷擾，同時產生輻射騷擾。

軌道車輛變頻空調電磁兼容性需符合EN 50121-3-2：2016《鐵路設施 電磁兼容性 第3-2部分：機車車輛 設備》要求，電源輸入端口傳導騷擾和輻射騷擾試驗限值如表1所示。

表1 電源輸入端口傳導騷擾和輻射騷擾試驗限值

圖1為變頻空調電磁干擾傳播路徑。逆變器通過分布電容產生高頻脈沖噪聲電流，此時逆變器變成噪聲源。由于噪聲電流的源頭是逆變器，因此一定會流回逆變器。噪聲電流流過接地等效阻抗所造成的電壓疊加至電源輸入端口形成電磁干擾。

圖1 變頻空調電磁干擾傳播路徑

圖2為LISN測試原理圖[1]。LISN將被測設備的干擾電壓和電源網絡隔離，并提供1個50 Ω的阻抗(R1)，在接收機處測量傳導騷擾。電源輸入端口傳導騷擾的實質可以理解為流過R1的電流的大小。在實際產品中，干擾源會有2種電流流過R1，一種是差模電流，另一種是共模電流，無論哪種均在接收機中顯示其測量值。

2 電源濾波器設計

電源濾波器由電感、電容、電阻等無源元器件構成，一端連接電源，另一端連接負載，可對電源中特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除。電源濾波器的作用是雙向性的，既能有效阻止外界的電磁干擾經電源線進入設備，又能阻擋設備自身工作中產生的電磁干擾經電源線進入列車電網傳送到其他敏感設備。

Zs.干擾源；DDM.差模電壓；DCM.共模電壓；CP.寄生電容；CX.差模電容； CY.共模電容；Cs1、Cs2.耦合電容；R1.LISN電阻；R2.接收機電阻。

2.1 電氣原理拓撲設計

根據變頻空調電磁干擾傳播路徑分析，傳導騷擾以共模干擾為主，因此電源濾波器采用兩級共模拓撲設計，并且設置X電容、Y電容及放電電阻等，電源濾波器電氣原理如圖3所示。

L1、L2.共模電感；C1、C2.差模電容、共模電容；Rl.放電電阻； A、B、C.電源濾波器輸入端口； A′、B′、C′.電源濾波器輸出端口；PE.接地。

2.2 共模電感量計算

軌道車輛變頻空調輸入電源為AC 380 V/50 Hz，電氣主回路由三相濾波器、整流濾波電路、預充電電路、逆變電路構成，逆變器功率為10 kW。共模電感量L的計算公式如下：

(1)

式中：f——截止頻率，Hz；

C——電容，F。

假定共模電感L1的截止頻率f1為15 kHz、電容C1為1 μF，共模電感L2的截止頻率f2為20 kHz、電容C2為0.02 μF，通過式(1)計算可得L1為5.6 mH，L2為3 mH。

2.3 仿真驗證

根據圖3電源濾波器電氣原理，設置L1為5.6 mH，L2為3 mH，C1為1 μF，C2為0.02 μF，R1為1 MΩ，設置系統源阻抗和負載阻抗分別為50 Ω，電源濾波器插入損耗仿真曲線如圖4所示。

圖4 電源濾波器插入損耗仿真曲線

由圖4可知，電源濾波器在150 kHz處插入損耗為49.9 dB，在794 kHz時插入損耗達到最大值(112 dB)，在794 kHz之后插入損耗減小，直至4 300 kHz附近插入損耗為49.6 dB，滿足變頻空調在2 MHz附近需要的30 dB插入損耗。

3 整機布局布線及接地設計

3.1 布局設計

在變頻空調機組內部系統中，各系統部件及負載的布局對于電磁兼容性設計十分重要。變頻空調機組主要部件由壓縮機、通風機、冷凝風機、逆變器、濾波器、控制器等構成，布局設計時在利用空間的同時必須滿足機械位置安裝要求，將空調機組部件按照電磁干擾度和敏感度大小進行布局設計，電磁干擾度較大的逆變器需遠離敏感的控制器部件，以減少敏感設備受到干擾的可能性。變頻空調機組各部件布局如圖5所示。

圖5 變頻空調機組各部件布局

如圖5所示，變頻空調機組根據結構、系統、電氣3個方面的情況，分為室內側與室外側，室內側根據送風口既有接口位置放置2個通風機；濾波器放置在逆變器電控盒內部；壓縮機腔放置2個壓縮機，室外側放置2個冷凝風機。空調內部強電與弱電線束分開布線，強電電纜匯集一側接至強電連接器，弱電電纜匯集至逆變器電控盒集中處理，逆變器電控盒布局如圖6所示。

圖6 逆變器電控盒布局

3.2 布線設計規則

根據EN 50343：2003《鐵路應用 機車車輛布線規則》要求進行布線設計。

空調機組內部不同電纜之間會產生寄生電容和寄生電感，因此要注意電纜之間的電容耦合和電感耦合。電纜種類和不同種類電纜之間的距離如表2和表3所示。

表2 電纜種類

表3 不同種類電纜之間的距離 m

不同種類的電纜在敷設時應滿足以下要求：

(1) 最小間距應符合表4中的要求。若由于結構原因達不到要求時需用金屬線槽、金屬管、屏蔽網管、編織網管進行隔離。

(2) A1類供電高壓干線電纜應盡量短，以減少該電纜產生的強磁感應。

(3) A1、A2類電纜最好采用屏蔽電纜，逆變器至電動機必須采用屏蔽電纜。

(4) 模擬量信號、低電平的開關信號、數據通信線路等C類電纜采用雙絞屏蔽電纜。

(5) 分線盒內的布線盡量避免交叉，無法分開的電纜可用金屬屏蔽網進行隔離。

(6) C類線纜必須是屏蔽電纜，且可靠接地，例如傳感器線纜。

3.2.1布線具體設計要求

根據EN 50343：2003規定，變頻空調機組主要布線設計要求如下：

(1) DC 110 V電纜、RS485通信電纜、高低電平開關信號電纜等采用雙絞屏蔽電纜；

(2) 逆變器至電動機采用多芯屏蔽電纜，且屏蔽層有效接地；

(3) 強弱電及通信電纜之間距離均>0.2 m，且無交叉；

(4) 各個負載采用黃綠地線單點接地，與金屬外殼相連；

(5) 屏蔽電纜采用雙端接地方式，且360°搭接處理。其中逆變器與電動機終端屏蔽電纜屏蔽層采用雙端接地方式[2]，如圖7所示。

圖7 逆變器與電動機終端屏蔽電纜屏蔽層雙端接地

3.2.2屏蔽層布線工藝

屏蔽電纜屏蔽層雙端接地采用360°搭接處理，能有效屏蔽整個高頻段，這樣從低頻段到70 MHz頻率范圍內均有較低的阻抗，能有效降低電動機轉軸和機座電壓，改善電磁兼容性能。逆變器終端屏蔽電纜與金屬外殼連接器采用360°搭接，同樣與電動機終端屏蔽電纜屏蔽層也采用360°搭接，此工藝設計方式屬于屏蔽電纜屏蔽層雙端接地，且實際效果滿足電位平衡，保證高頻干擾信號能夠通過屏蔽層導入大地。

3.3 部件接地設計

變頻空調機組外殼一般采用不銹鋼或鋁合金材質，所以從電磁兼容的角度來看，接地尤為重要。對于電磁兼容來說，接地是為了引導共模電流的流向，提供最小化接地阻抗，從而減少從電路返回到電源之間接地回路的電勢，例如變頻空調機組內濾波器接地、逆變器終端屏蔽電纜屏蔽層接地、電動機接地等。

變頻空調機組逆變器與壓縮機之間采用屏蔽電纜，并且屏蔽層接地，保證高頻信號通過屏蔽層導入大地；濾波器接地一般包含旁路電容，保證共模電流被旁路；對于受到內部噪聲和外部干擾的逆變器、控制板等，系統許多接地點相連，為干擾信號提供最低阻抗的通道。

4 試驗驗證

在變頻空調機組內，保證控制器及逆變器在滿足EN 50121-3-2：2016要求前提下，按照空調整機濾波、接地、屏蔽及整機布局要求設計空調機組，搭建空調測試平臺并進行試驗，最終傳導騷擾測試結果(空調AC 380 V電源輸入端口)如圖8所示，輻射騷擾測試結果(空調整機)如圖9所示。

圖9 輻射騷擾測試曲線

通過試驗數據可以看出，傳導騷擾測試數據和輻射騷擾測試數據均滿足標準要求，且余量充足。

5 結束語

本文在分析電磁干擾產生原因的基礎上，通過理論計算和仿真分析，從濾波、屏蔽、接地等方面對空調機組進行了設計，最后搭建空調測試平臺對理論分析進行了試驗驗證。試驗結果表明傳導及輻射騷擾均滿足EN 50121-3-2：2016要求，充分證明了理論分析計算的準確性，為軌道車輛變頻空調的電磁兼容性設計提供了技術參考。