軌道車輛變頻空調(diào)系統(tǒng)諧波干擾及抑制措施

文/劉國慶

1 概述

隨著軌道交通行業(yè)節(jié)能環(huán)保概念的提出，軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)開始向變頻方向發(fā)展，由于變頻器采用了大量的非線性元件，將產(chǎn)生諧波，對車上用電設(shè)備造成干擾，影響正常工作。

2 變頻器諧波的產(chǎn)生及危害

軌道車輛空調(diào)根據(jù)車廂內(nèi)外溫度，通過變頻器對壓縮機(jī)自動調(diào)頻運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能、舒適乘車環(huán)境的目的，車上供電系統(tǒng)如圖1。

2.1 變頻器諧波的產(chǎn)生

空調(diào)系統(tǒng)變頻器供電主要來自于車上輔助逆變器提供AC380V/50HZ正弦波電源通過：整流、中間直流環(huán)節(jié)、IGBT逆變、控制等四個環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)變頻器變頻功能。通過測試，變頻器運(yùn)行時產(chǎn)生的諧波集中在5、7、11、13次。

2.2 變頻器諧波的危害

變頻器諧波的產(chǎn)生，會對車上供電設(shè)備以及自身產(chǎn)生影響：

（1）影響變頻器自身的性能，在輸入測，變頻器電流畸變率較高，直接降低變頻器主回路功率器件的設(shè)計余量，導(dǎo)致變頻器工作不穩(wěn)定，同時，也會通過傳導(dǎo)、輔射影響其變頻器控制電路，導(dǎo)致各種誤動作；

圖1：軌道車輛供電示意圖

圖2：變頻器諧波抑制模型

圖3：同時加裝交流、直流電抗器諧波含量

圖4：加裝濾波器變頻器傳導(dǎo)測試結(jié)果

（2）變頻器諧波對輔助逆變器及其它用電設(shè)備產(chǎn)生影響，如使用壽命、異響、絕緣破壞、加速老化等。

3 變頻器諧波抑制措施研究

3.1 一般措施

（1）合理布線，變頻器的動力輸入與輸出，需保持一定的間距，盡量使用屏蔽線；動力線與控制線需分開成不同的路徑走線，空間上無法分開時，盡量使動力線與控制線垂直交叉布置，降低對控制信號的干擾；

（2）變頻器采用鐵殼，屏蔽變頻器對外輻射，隔離外界對變頻器本身的干擾；

（3）加裝隔離器，通過電-磁-電的轉(zhuǎn)換，避免電源與變頻器輸入端由于電氣連接產(chǎn)生的干擾而影響車上電網(wǎng)。

3.2 濾波器、電抗器濾波抑制措施

（1）在變頻器交流供電回路安裝交流電抗器可以防止高次諧波直接傳入車上電網(wǎng)，同時，防止車上電網(wǎng)電壓波動和電流沖擊對變頻器的影響；

（2）在變頻器直流母線安裝直流電抗器，可以減少電流中的諧波成分以及電流的脈動，延長濾波電容壽命，提高變頻器功率因素；

（3）在變頻器交流供電回路安裝無源濾波器，防止對車上其它產(chǎn)生干擾。

目前大多車輛空調(diào)系統(tǒng)，要求系統(tǒng)運(yùn)行時，要求電壓諧波THD含量一般≤10%，基于以上，建立如圖2諧波抑制模型并進(jìn)行仿真試驗(yàn)研究。

3.2.1 主回路增加電抗試驗(yàn)研究

11KW變頻器，根據(jù)諧波電壓測試數(shù)據(jù)在仿真軟件內(nèi)進(jìn)行計算和調(diào)整，將90Hz運(yùn)行頻率下的測試數(shù)據(jù)輸入軟件，計算并調(diào)整后，按照電抗器電感量為0.737mH的倍數(shù)進(jìn)行仿真測試。

0.737 mH交流電抗器時仿真諧波電壓為14.68%；1.474 mH交流電抗器時仿真諧波電壓為14.14%；2.948 mH交流電抗器時仿真諧波電壓為13.00%；5.896 mH交流電抗器時仿真諧波電壓為10.76%。

從仿真數(shù)據(jù)看，電感量越大，諧波電壓呈降低趨勢，同時，如果繼續(xù)增大電感量，會導(dǎo)致電壓壓降增大，從而影響變頻器正常運(yùn)行，當(dāng)5.896mH時，電抗器造成的壓降，已經(jīng)接近變頻器運(yùn)行在臨界電壓值，將會導(dǎo)致變頻器工作異常。

3.2.2 變頻器整流回路增加直流電抗器試驗(yàn)研究

直流電抗器可以限制疊加在直流電流上的交流紋波，改善變頻器的功率因數(shù)并可以抑制變頻器逆變環(huán)節(jié)產(chǎn)生的諧波，減少其對整流裝置和電網(wǎng)的影響。根據(jù)日立WJ-200系列11KW變頻器資料建議（2.33mH）及軟件仿真結(jié)果，直流電抗器電感量選用2.2mH和2.6mH進(jìn)行模擬仿真。2.2 mH直流電抗器時仿真諧波電壓為13.39%；2.6 mH直流電抗器時仿真諧波電壓為11.89%。增加直流電抗器能降低諧波電壓，但仍無法控制在10%以內(nèi)，持續(xù)加大電感量也會導(dǎo)致直流母線電壓降低，影響變頻器工作。

3.2.3 同時增加交流電抗器和直流電抗器試驗(yàn)研究

同時加2.6mH直流電抗器和0.74mH交流電抗器時仿真諧波電壓為12.04%；同時加2.6mH直流電抗器和4mH交流電抗器時仿真諧波電壓為9.78%。如圖3。由試驗(yàn)可知，交流直流電配器在配合使用的情況下，諧波抑制效果明顯，且可滿足要求。

3.2.4 主回路增加交流濾波器試驗(yàn)研究

根據(jù)不加裝測試出來的波形及數(shù)據(jù)，在150KHZ時，干擾值已達(dá)到100dB，依據(jù)測試數(shù)據(jù)，設(shè)計其匹配的濾波器：X電容Cx1：2.2μF，Cx2：1μF；Y電容Cy：6800pF；電阻R：1MΩ；電感L1、L2：20MH，加裝后，EMC試驗(yàn)室測試結(jié)果如圖4，滿足EN50121-3-2標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論及展望

本文分析了諧波產(chǎn)生的原理，經(jīng)一系列仿真和測試，提出了有效抑制諧波模型，通過相互配合，能達(dá)到理想的抑制效果并在軌道車輛變頻空調(diào)系統(tǒng)項(xiàng)目設(shè)計應(yīng)用過程中產(chǎn)生深遠(yuǎn)意義。目前，軌道車輛變頻空調(diào)屬于初步應(yīng)用階段，諧波治理方面還有很大的探討空間，后續(xù)，將建立變頻器數(shù)字化模型作更深入的研究。