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)試驗驗證缺乏規(guī)范性的試驗方案，導(dǎo)致試驗結(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)范試驗方案的設(shè)計開發(fā)流程，以及電磁兼容試驗的系統(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，并以此實現(xiàn)對三相異步電機的驅(qū)動。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的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對車輛運行速度的調(diào)節(jié)以及起?？刂啤?/p>

本文以大連電力牽引研發(fā)中心研制的某型號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，結(jié)構(gòu)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(qū)動電機運轉(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。操作人員可通過中控端對變流器輸入適當(dāng)?shù)男盘?，實現(xiàn)變流器在不同條件下的運行狀態(tài)，同時也可以通過傳感器的反饋信號實現(xiàn)對變流器運行狀態(tài)的實時監(jiān)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(yīng)用場景設(shè)計較為詳細的電磁兼容性試驗方案；

(3)設(shè)計可有效模擬變流器實車環(huán)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(nèi)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(tài)時，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(shè)備的端口為分析對象；

(2)以變流器各艙艙體內(nèi)部信號走線以及艙體間的互聯(lián)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(tǒng)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(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(fēng)險評估以及關(guān)鍵程度進行了逐一定義。該劃分具有通用性。后續(xù)在進行電磁兼容性試驗方案的設(shè)計中，表1中標(biāo)注有高風(fēng)險的要素分類端口將會被著重考慮。

3 試驗方案的設(shè)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(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)進行了修正[1]。為了使試驗方案更具通用性，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(tǒng)計內(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(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合變流器干擾源、敏感信號以及干擾耦合路徑等相關(guān)特點，選取針對性的測試項來構(gòu)建測試方案。針對該型變流器所制定的電磁兼容性試驗方案如表2所示。

表2 牽引變流器設(shè)備級電磁兼容試驗預(yù)案

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

試驗方案中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求明確變流器在各項試驗中的空間位置、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，該項試驗參考EN 55011進行，試驗在10米法或者3米法半波暗室內(nèi)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(fā)射試驗布置如圖2所示。

圖2 輻射發(fā)射試驗布置

本研究將變流器及其輔助設(shè)備(如驅(qū)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(cè)面進行測試即可，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，才會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法進行測試。

AMN法傳導(dǎo)發(fā)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(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(dǎo)抗擾

根據(jù)EN 50121-3-2要求，試驗方法參考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(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(shè)備均需放置于高度15 cm的絕緣支撐上，且設(shè)備各個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

該項試驗參考標(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(dǎo)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(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

浪涌抗擾度試驗參考標(biāo)準(zhǔn)EN 61000-4-5進行，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(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-線浪涌試驗中的耦合網(wǎng)絡(luò)阻抗要求為18 μF，線-地浪涌試驗中的耦合網(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，需滿足在不接入DUT時注入浪涌的情況下，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，射頻輻射抗擾試驗參考標(biāo)準(zhǔn)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(fā)射試驗不同，為了保證測試場強的均勻度要求，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(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，靜電放電試驗需在溫度15 ℃～35 ℃和相對濕度30%～60%的環(huán)境條件下進行，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)備的靜電放電試驗只適用于非維護狀態(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 試驗臺架的改進

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，針對受試設(shè)備實際使用情況的不同，試驗中設(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高的絕緣實驗臺上[8-9]，該種方式通常適用于臺式設(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(tǒng)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(jié)果的不一致性，尤其對于發(fā)射類試驗(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，對變流器的試驗支撐臺架進行了設(shè)計改進，借助設(shè)備級試驗方案盡可能地評估設(shè)備在系統(tǒng)級試驗的中的電磁兼容性特性。

本文設(shè)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(zhì)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(diào)的支撐，材質(zhì)多為低介電常數(shù)非導(dǎo)電材質(zhì)

整個試驗臺架可有效承載總重2 000 kg以內(nèi)的受試設(shè)備以及附屬裝置。

利用改進后的試驗臺架進行電磁兼容性試驗，可以根據(jù)變流器在實車中的空間位置，合理調(diào)整測試臺架的支撐高度和位置，從而可以實現(xiàn)模擬變流器在實車環(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方案設(shè)計的同時，還概述了軌道交通中設(shè)備級電磁兼容試驗方案的一般設(shè)計流程和方法，該流程以及方法可以有效提升試驗方案設(shè)計的科學(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)特點以及實車安裝位置，設(shè)計了一種較為通用的試驗臺架，通過擬合其在實車中的環(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)計目前正用于某型號牽引變流器的EMC試驗驗證，后續(xù)有待取得進一步的驗證成果。