HXD3型電力機車BC 06-Ⅰ型DC 110 V電源裝置異常電磁噪聲原因分析及解決方案

王如蛟

(北京鐵路局　天津機務段， 天津 300230)

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HXD3型電力機車BC 06-Ⅰ型DC 110 V電源裝置異常電磁噪聲原因分析及解決方案

王如蛟

(北京鐵路局天津機務段， 天津 300230)

通過分析HXD3型電力機車BC 06-Ⅰ型DC 110 V電源裝置的工作原理，研究其工作電磁噪聲源及噪聲產生的機理，提出解決電源裝置異常噪聲的有效解決方案。

BC 06-Ⅰ； DC 110 V電源裝置； 電磁噪聲

HXD3型電力機車BC 06-Ⅰ型DC 110 V電源裝置在為機車提供控制電源的同時承擔蓄電池充電功能，亦稱為蓄電池充電器(簡稱充電器)。該裝置由兩組完全相同且獨立工作的電源單元PSU1和PSU2組成，機車微機控制系統控制PSU1奇數日、PSU2偶數日交替循環工作，當其中一組故障時系統自動切換到另一組繼續給機車控制系統供電，大大降低了因控制電源故障引起的機車行車事故。

1　問題的提出

HXD3型機車自2006年批量生產投入運用以來，已進行了C4或者C5級修，在檢修中發現一些DC 110 V電源裝置工作時存在噪聲偏大的情況，甚至個別電源裝置發出刺耳的尖銳聲。機車乘務人員長時間工作在噪聲超標的環境中，容易出現注意力分散、反應遲鈍、工作效率下降等問題，不利于鐵路機車行車安全。下面從電源裝置的工作原理分析電磁噪聲產生的機理，提出降低噪聲的可行性措施，為機車乘務人員提供一個舒適的工作環境。

2　電源裝置的工作原理

DC 110 V電源裝置由電源輸入電路、預充電電路、輸出電路和控制電路構成(見圖1)，額定電壓為 DC(750±75)V, 輸出電壓為DC (110±1.1)V, 額定功率 6.05 kW，采用強迫風循環冷卻散熱。該裝置輸入電源來自機車輔助逆變器APU 的中間直流回路, 通過CTT接觸器選擇由APU1或APU2供電；預充電回路由CTT接觸器主觸頭、充電電阻 CHR 和可控硅 CHS構成，CTT觸頭閉合后, 通過限流電阻對中間電容 FC1、 FC2進行充電, 在其電壓達到一定值后, 導通 CHS, 將 CHR 短路, 完成預充電；輸出回路是整個裝置的核心部分，由4個IGBT全橋臂逆變器、 絕緣高頻變壓器 IST1和整流器 FR、電抗器 DCL1和電容 LC1構成，控制回路由集成在控制基板上的電源模塊、CPU、DI/DO模塊、AI模塊及門極驅動模塊等組成，CPU控制門極驅動模塊驅動IGBT實施頻率固定為6 kHz脈寬調制輸出單相脈沖交流電源，經高頻變壓器、整流器和濾波后輸出DC 110 V電源。

圖1　電源裝置電路圖

3　噪聲產生的機理分析

為了查找電源裝置噪聲源，在電源裝置檢修性能試驗中用分貝儀測量柜體內部各處的噪聲分布情況。通過對57臺電源裝置噪聲測量，發現噪聲最大值均出現高頻變壓器IST附近，且分貝數隨電源裝置的負載增大而增加。電源裝置選用整體灌裝式和普通式兩種型式的高頻變壓器(見圖2)。

圖2　高頻電壓器

統計滿載時最大噪聲分貝數的分布情況如下：無低于80 dB情況，25臺電源裝置噪聲為(80～90) dB，均為裝用整體灌裝式高頻變壓器；26臺電源裝置噪聲為(90～100) dB，6臺電源裝置噪聲大于100 dB，最高達到107.2 dB，超過90 dB的電源裝置均是裝用普通式高頻變壓器,變壓器繞組表面絕緣涂層存在不同程度的起皮、脫落現象。

對于絕緣高頻變壓器而言，噪聲產生的來源有以下3類：

(1)硅鋼片的磁致伸縮引起的鐵芯振動；

(2)硅鋼片接縫處和疊片間，因磁通穿過片間而產生的電磁力引起的振動；

(3)負載電流通過繞組時，因漏磁通在繞組導體間產生的電磁力引起繞組的振動。

3.1變壓器結構對電磁噪聲的影響

硅鋼片產生的磁致伸縮是變壓器噪聲的最主要根源。磁致伸縮通常以ε表示，其等于勵磁時硅鋼片片長的增量 △l與片長l之比， 即ε=△l/l。

試驗研究表明，硅鋼片的磁致伸縮與ε硅鋼片的材質、表面的絕緣涂層、含硅量 、磁通密度、磁力線與硅鋼片壓延方向的夾角以及硅鋼片受到的機械應力等因素有關。

整體灌裝式變壓器是在普通變壓器的基礎上進行絕緣塑封而成的，較普通式變壓器具有較好的鐵芯和線圈夾緊固定作用，能夠有效抑制硅鋼片和線圈的振動引起的噪聲。

3.2電源品質對噪聲的影響

高頻變壓器IST輸入電壓為IGBT全橋臂逆變器逆輸出脈沖電壓(見圖3)，根據傅里葉變換，該電壓可以等效為由一系列的正弦電源的疊加，即

u(t)=4Um(sinωt+1/3sin3ωt+1/5sin5ωt+…)/π。

其中Um為脈沖電壓幅值，ω=2πf,f脈沖電壓頻率，為6 kHz。

圖3　輸出脈沖電壓

由于諧波電壓的存在，會引起附加的鐵芯磁滯伸縮效應和漏磁引起的鐵芯振動和線圈振動，一定程度上增強電磁噪聲，且頻率越高，噪聲越明顯。

4　解決方案

為了有效控制或降低電源裝置工作電磁噪聲、消除異常電磁噪聲，需要從制定合理的電磁噪聲標準和采取降低電磁噪聲兩方面綜合治理。

4.1制定合理的電磁噪聲標準

根據HXD3型機車司機室噪聲不得高于70 dB設計要求，考慮到電源裝置安裝在機械室內及其電磁噪聲傳播到司機室的衰減程度，制定電源裝置工作時最大噪聲不大于90 dB。通過檢修實踐驗證執行此標準能夠滿足司機室噪聲低于70 dB的要求。

4.2降低電磁噪聲的措施

(1)在高頻變壓器的輸入端并聯諧波濾波器。根據高頻變壓器噪聲的產生的機理可知，過濾掉輸入諧波可以有效降低電磁噪聲。鑒于此高頻變壓器的輸入諧波為基波的奇數倍正弦波，3倍頻諧波占比成分較大，故可采用LC濾波器過濾掉3倍頻(18 kHz)的諧波。

(2)普通式高頻變壓器進行更換或浸漆處理。對于電磁噪聲(90～95) dB普通式變壓器可采用真空浸漆工藝能夠填充線圈之間的間隙，提高絕緣強度和降低線圈漏磁通振動引起的噪聲，實踐證明可以有效降低5～8 dB；對于電磁噪聲超過95 dB的普通式高頻變壓器更換為整體灌裝式變壓器處理。

5　結束語

通過對電源裝置電磁噪聲產生機理的分析，從制定電磁噪聲標準和抑制電磁噪聲兩個方面入手，通過檢修實踐證明，本文中所制動的標準和解決方案有效降低了電磁噪聲，不僅提高了電源裝置檢修質量，還解決了因噪聲問題引起的檢修超工時問題，有效地降低了檢修成本。

[1]張曙光. HXD3型電力機車[M]. 北京:中國鐵道出版社，2010.

[2]蔣長慶，朱伯銘.關于變壓器噪聲的分析及其降低方法[J].南京師大學報(自然科學版),1995,18(2):19-21，31.

Reason Analysis and Solution of Abnormal Electromagnetic Noise for BC 06-ⅠType 110 V DC Power Supply Device on HXD3 Electric Locomotive

WANG Rujiao

(Tianjin Locomotive Depot, Beijing Railway Bureau, Tianjin 300230, China)

By analyzing the working principle of BC 06-Ⅰtype 110 V power supply device of HXD3 electric locomotive, the electromagnetic noise source and mechanism of noise generation is studied, and the effective solution is put forward.

BC 06-Ⅰ; 110 V DC; power supply device; electromagnetic noise

1008-7842 (2016) 01-0070-02

??)男，工程師(

2015-08-07)

U264.6

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.01.17