盧明書(shū)，趙康杰，徐 銘，史勇進(jìn)

(山東朗進(jìn)科技股份有限公司 技術(shù)中心，山東 濟(jì)南 271100)

隨著軌道交通和電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)軌道車(chē)輛小型化、輕量化和節(jié)能的要求不斷提高，軌道車(chē)輛變頻空調(diào)以其優(yōu)越的節(jié)能特性和舒適特性被廣泛應(yīng)用于地鐵、輕軌、城際列車(chē)等。由于軌道車(chē)輛變頻空調(diào)內(nèi)部功率器件在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生較大的電壓變化率和電流變化率，容易形成較強(qiáng)的電磁干擾，因此變頻空調(diào)機(jī)組電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需滿足電磁兼容性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1 軌道車(chē)輛變頻空調(diào)電磁干擾分析

變頻空調(diào)逆變系統(tǒng)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(diào)機(jī)殼之間、電動(dòng)機(jī)與空調(diào)機(jī)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(dǎo)致分布電容充放電，產(chǎn)生共模干擾。共模干擾電壓疊加在電源輸入端口，當(dāng)進(jìn)行傳導(dǎo)騷擾測(cè)試時(shí),在線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)上形成傳導(dǎo)騷擾，同時(shí)產(chǎn)生輻射騷擾。

軌道車(chē)輛變頻空調(diào)電磁兼容性需符合EN 50121-3-2：2016《鐵路設(shè)施 電磁兼容性 第3-2部分：機(jī)車(chē)車(chē)輛 設(shè)備》要求，電源輸入端口傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾試驗(yàn)限值如表1所示。

表1 電源輸入端口傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾試驗(yàn)限值

圖1為變頻空調(diào)電磁干擾傳播路徑。逆變器通過(guò)分布電容產(chǎn)生高頻脈沖噪聲電流，此時(shí)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(huì)流回逆變器。噪聲電流流過(guò)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(diào)電磁干擾傳播路徑

圖2為L(zhǎng)ISN測(cè)試原理圖[1]。LISN將被測(cè)設(shè)備的干擾電壓和電源網(wǎng)絡(luò)隔離，并提供1個(gè)50 Ω的阻抗(R1)，在接收機(jī)處測(cè)量傳導(dǎo)騷擾。電源輸入端口傳導(dǎo)騷擾的實(shí)質(zhì)可以理解為流過(guò)R1的電流的大小。在實(shí)際產(chǎn)品中，干擾源會(huì)有2種電流流過(guò)R1，一種是差模電流，另一種是共模電流，無(wú)論哪種均在接收機(jī)中顯示其測(cè)量值。

2 電源濾波器設(shè)計(jì)

電源濾波器由電感、電容、電阻等無(wú)源元器件構(gòu)成，一端連接電源，另一端連接負(fù)載，可對(duì)電源中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)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(jīng)電源線進(jìn)入設(shè)備，又能阻擋設(shè)備自身工作中產(chǎn)生的電磁干擾經(jīng)電源線進(jìn)入列車(chē)電網(wǎng)傳送到其他敏感設(shè)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(jī)電阻。

2.1 電氣原理拓?fù)湓O(shè)計(jì)

根據(jù)變頻空調(diào)電磁干擾傳播路徑分析，傳導(dǎo)騷擾以共模干擾為主，因此電源濾波器采用兩級(jí)共模拓?fù)湓O(shè)計(jì)，并且設(shè)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(jì)算

軌道車(chē)輛變頻空調(diào)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(yù)充電電路、逆變電路構(gòu)成，逆變器功率為10 kW。共模電感量L的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：f——截止頻率，Hz；

C——電容，F(xiàn)。

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(guò)式(1)計(jì)算可得L1為5.6 mH，L2為3 mH。

2.3 仿真驗(yàn)證

根據(jù)圖3電源濾波器電氣原理，設(shè)置L1為5.6 mH，L2為3 mH，C1為1 μF，C2為0.02 μF，R1為1 MΩ，設(shè)置系統(tǒng)源阻抗和負(fù)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(shí)插入損耗達(dá)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(diào)在2 MHz附近需要的30 dB插入損耗。

3 整機(jī)布局布線及接地設(shè)計(jì)

3.1 布局設(shè)計(jì)

在變頻空調(diào)機(jī)組內(nèi)部系統(tǒng)中，各系統(tǒng)部件及負(fù)載的布局對(duì)于電磁兼容性設(shè)計(jì)十分重要。變頻空調(diào)機(jī)組主要部件由壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、逆變器、濾波器、控制器等構(gòu)成，布局設(shè)計(jì)時(shí)在利用空間的同時(shí)必須滿足機(jī)械位置安裝要求，將空調(diào)機(jī)組部件按照電磁干擾度和敏感度大小進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，電磁干擾度較大的逆變器需遠(yuǎn)離敏感的控制器部件，以減少敏感設(shè)備受到干擾的可能性。變頻空調(diào)機(jī)組各部件布局如圖5所示。

圖5 變頻空調(diào)機(jī)組各部件布局

如圖5所示，變頻空調(diào)機(jī)組根據(jù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、電氣3個(gè)方面的情況，分為室內(nèi)側(cè)與室外側(cè)，室內(nèi)側(cè)根據(jù)送風(fēng)口既有接口位置放置2個(gè)通風(fēng)機(jī)；濾波器放置在逆變器電控盒內(nèi)部；壓縮機(jī)腔放置2個(gè)壓縮機(jī)，室外側(cè)放置2個(gè)冷凝風(fēng)機(jī)?？照{(diào)內(nèi)部強(qiáng)電與弱電線束分開(kāi)布線，強(qiáng)電電纜匯集一側(cè)接至強(qiáng)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(shè)計(jì)規(guī)則

根據(jù)EN 50343：2003《鐵路應(yīng)用 機(jī)車(chē)車(chē)輛布線規(guī)則》要求進(jìn)行布線設(shè)計(jì)。

空調(diào)機(jī)組內(nèi)部不同電纜之間會(huì)產(chǎn)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(lèi)和不同種類(lèi)電纜之間的距離如表2和表3所示。

表2 電纜種類(lèi)

表3 不同種類(lèi)電纜之間的距離 m

不同種類(lèi)的電纜在敷設(shè)時(shí)應(yīng)滿足以下要求：

(1) 最小間距應(yīng)符合表4中的要求。若由于結(jié)構(gòu)原因達(dá)不到要求時(shí)需用金屬線槽、金屬管、屏蔽網(wǎng)管、編織網(wǎng)管進(jìn)行隔離。

(2) A1類(lèi)供電高壓干線電纜應(yīng)盡量短，以減少該電纜產(chǎn)生的強(qiáng)磁感應(yīng)。

(3) A1、A2類(lèi)電纜最好采用屏蔽電纜，逆變器至電動(dòng)機(jī)必須采用屏蔽電纜。

(4) 模擬量信號(hào)、低電平的開(kāi)關(guān)信號(hào)、數(shù)據(jù)通信線路等C類(lèi)電纜采用雙絞屏蔽電纜。

(5) 分線盒內(nèi)的布線盡量避免交叉，無(wú)法分開(kāi)的電纜可用金屬屏蔽網(wǎng)進(jìn)行隔離。

(6) C類(lèi)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(shè)計(jì)要求

根據(jù)EN 50343：2003規(guī)定，變頻空調(diào)機(jī)組主要布線設(shè)計(jì)要求如下：

(1) DC 110 V電纜、RS485通信電纜、高低電平開(kāi)關(guān)信號(hào)電纜等采用雙絞屏蔽電纜；

(2) 逆變器至電動(dòng)機(jī)采用多芯屏蔽電纜，且屏蔽層有效接地；

(3) 強(qiáng)弱電及通信電纜之間距離均>0.2 m，且無(wú)交叉；

(4) 各個(gè)負(fù)載采用黃綠地線單點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(gè)高頻段，這樣從低頻段到70 MHz頻率范圍內(nèi)均有較低的阻抗，能有效降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸和機(jī)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(dòng)機(jī)終端屏蔽電纜屏蔽層也采用360°搭接，此工藝設(shè)計(jì)方式屬于屏蔽電纜屏蔽層雙端接地，且實(shí)際效果滿足電位平衡，保證高頻干擾信號(hào)能夠通過(guò)屏蔽層導(dǎo)入大地。

3.3 部件接地設(shè)計(jì)

變頻空調(diào)機(jī)組外殼一般采用不銹鋼或鋁合金材質(zhì)，所以從電磁兼容的角度來(lái)看，接地尤為重要。對(duì)于電磁兼容來(lái)說(shuō)，接地是為了引導(dǎo)共模電流的流向，提供最小化接地阻抗，從而減少?gòu)碾娐贩祷氐诫娫粗g接地回路的電勢(shì)，例如變頻空調(diào)機(jī)組內(nèi)濾波器接地、逆變器終端屏蔽電纜屏蔽層接地、電動(dòng)機(jī)接地等。

變頻空調(diào)機(jī)組逆變器與壓縮機(jī)之間采用屏蔽電纜，并且屏蔽層接地，保證高頻信號(hào)通過(guò)屏蔽層導(dǎo)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(duì)于受到內(nèi)部噪聲和外部干擾的逆變器、控制板等，系統(tǒng)許多接地點(diǎn)相連，為干擾信號(hào)提供最低阻抗的通道。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在變頻空調(diào)機(jī)組內(nèi)，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(diào)整機(jī)濾波、接地、屏蔽及整機(jī)布局要求設(shè)計(jì)空調(diào)機(jī)組，搭建空調(diào)測(cè)試平臺(tái)并進(jìn)行試驗(yàn)，最終傳導(dǎo)騷擾測(cè)試結(jié)果(空調(diào)AC 380 V電源輸入端口)如圖8所示，輻射騷擾測(cè)試結(jié)果(空調(diào)整機(jī))如圖9所示。

圖9 輻射騷擾測(cè)試曲線

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，傳導(dǎo)騷擾測(cè)試數(shù)據(jù)和輻射騷擾測(cè)試數(shù)據(jù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且余量充足。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在分析電磁干擾產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論計(jì)算和仿真分析，從濾波、屏蔽、接地等方面對(duì)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后搭建空調(diào)測(cè)試平臺(tái)對(duì)理論分析進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明傳導(dǎo)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(jì)算的準(zhǔn)確性，為軌道車(chē)輛變頻空調(diào)的電磁兼容性設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。