城市軌道交通車輛應答器傳輸模塊電磁干擾原因及其應對措施

王 博 楊其林 孔宴偉 邸 峰 朱真宗

(中車青島四方車輛研究所有限公司,266031,青島∥第一作者,高級工程師)

隨著技術更新迭代,城市軌道交通車輛裝備了越來越多的電子、電氣設備或系統產品,這些產品的EMC(電磁兼容)測試是車輛必須檢驗檢測的項點。城市軌道交通大功率變流系統的EMC測試應按照GB/T 24338.4—2018《軌道交通 電磁兼容 第3-2部分:機車車輛 設備》進行,產品出廠前須按照該標準的規定進行廠內的EMC測試。但由于廠內測試受地面試驗條件的限制,地面EMC試驗結果僅能證明其部分功能正常。此外,GB/T 24338.4—2018中明確規定超過50 kVA的變流器設備不能單獨進行發射試驗,傳導發射項點中也僅對變流系統中的輔助變流器輸出端有限值進行了約束,這些因素都可能導致車輛其他子系統或設備運行過程中車載變流系統輸入端口的電磁干擾存在未知的安全風險。

實際的工程項目中,經常出現廠驗EMC試驗結果合格但實際使用時車載變流系統(以下簡稱“變流系統”)對車載BTM(應答器傳輸模塊)天線產生電磁干擾的情況,即變流系統啟動后,BTM天線的信號接收功能受到了較強的干擾,導致其無法正常工作。本文對該情況的產生原因進行分析,并對電磁干擾的抑制措施進行研究,以期對地面EMC測試內容及后續的產品設計提供技術參考。

1 BTM天線受擾原因分析

為找到安裝在車頭端部的BTM天線受干擾的具體原因,應先對干擾源進行定位。通過試驗發現:與BTM天線同車的變流系統啟動前,BTM天線接收的信號一切正常;變流系統啟動后,BTM天線就會接收到4 MHz附近頻率較強的干擾信號,由此可認為本車的變流系統是干擾源。再對變流系統進行空載和帶載試驗,該干擾現象未發生明顯變化,由此可認為該干擾現象與變流系統的負載功率間無強相關關系。

進一步對變流系統的拓撲原理和接地方式進行分析。圖1為變流系統主拓撲及接地方式示意圖,變流系統采用兩電平的三相全橋逆變拓撲,采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)作為開關器件。變流系統采用DC(直流電) 1 500 V供電制式,變流器箱的負線首先接到車體底部接地匯流箱內的接地匯流排,匯流排再直接與接地裝置連接。通過接地碳刷實現了變流系統負線與輪軌的連接,進而實現變流器的負線回流。變流系統吊裝在車底并與車體直接連接,變流系統設備設置了單獨的接地點,與車體相連。車體經過接地電阻連接到匯流排,以實現保護性接地。車體經過接地電阻能夠適當地提高車體電位,減小流經車體的諧波電流。但是,考慮到車體電位不能高于安全電壓的防護要求,接地電阻的電阻值不能太大,一般要求小于50 mΩ[1]。

如圖1所示,當變流系統工作時,其內部的IGBT處于快速通斷模式,逆變輸出電壓為一系列寬度呈周期性變化的、近似方波的脈沖電壓,這類脈沖電壓含有豐富的諧波分量,是變流系統產生電磁干擾的主要原因。PWM(脈沖寬度調制)驅動的逆變系統產生干擾,可分為共模干擾和差模干擾兩種。IGBT本身存在的寄生電感在di/dt(單位時間內電流變化率)高速變化情況下產生了高頻電壓干擾信號,IGBT與散熱器之間的等效分布電容為共模干擾信號提供了傳播路徑。IGBT快速開關動作產生的du/dt(單位時間內電壓變化率)使得這些分布電容開始充放電并產生共模噪聲,且共模干擾信號的傳輸路徑不同將導致共模信號與差模信號的相互轉化,差模信號可在輸入電纜或輸出電纜之間進行傳播[2]。變流系統電磁干擾的流通路徑如圖2所示。

圖2 變流系統電磁干擾流通路徑

電磁干擾可分為電場干擾與磁場干擾兩種,兩者屬性不同,但兩者間的能量能互相影響,即:隨時間變化的電場會產生磁場,隨時間變化的磁場也會產生電場。這些連續不斷同相振蕩的電場和磁場共同形成了電磁干擾/電磁波。

從圖2中BTM天線安裝的位置及干擾信號的流通路徑看,共模信號和差模信號都會對BTM天線正常接收信號產生一定的干擾。

2 電磁干擾的抑制措施

為降低變流系統產生的差模干擾和共模干擾對BTM天線的影響,本文考慮采用在變流器箱內部增加干擾信號回流路徑、縮短干擾信號在變流器箱外部回流路徑的方式,使得干擾信號盡可能地在變流器箱內循環,從而解決該電磁干擾問題。在查閱了相關資料及文獻[3]后,綜合考慮方案的可行性及可靠性,決定通過增加電源對箱體的接地電容、在電源正負線間增加高頻濾波電容這兩種方式進行干擾抑制,變流系統增加接地電容、高頻濾波電容后的電磁干擾流通路徑如圖3所示。

如圖3所示,增加了接地電容后,變流器箱IGBT產生的共模信號可通過此阻容器件回到電源側;增加高頻濾波電容后,差模信號可在支撐電容與高頻濾波電容間流通,且部分共模干擾信號也可通過此高頻濾波電容回流至電源正線。采用這兩個抑制措施后,降低了差模信號、共模信號傳輸至車體的強度,進而降低了對安裝在車體底部的BTM天線的干擾。

為確定增設的接地電容和高頻濾波電容的具體參數值,對增加接地電容后的共模干擾回路進行簡化分析[4],其簡化電路如圖4所示。

圖4 共模干擾回路簡化模型

設f為需要改善的超標頻率,UA為端口共模電壓。設未添加接地電容的端口共模電壓為UAO,其計算式為:

(1)

設添加接地電容后的端口共模電壓為UA1,其計算式為:

(2)

聯立式(1)及式(2),可得到功率插入損耗AdB的計算式為:

(3)

AdB為預期需要改善的功率插入損耗,可根據式(3)在不同目標頻點組成方程組,求得需要增加的阻容參數的理論值。

由于實際裝車工況中雜散電流參數共模回路的拓撲結構復雜,根據圖4的簡化模型和式(1)—式(3),結合電容值增大后漏電流增大可能導致變流系統與車體的電磁場環境變差的實踐經驗,接地電容建議采用單電容配合線路等效阻抗的方案。該方案下接地電容和高頻濾波電容的范圍均為0.47～2.00 μF,選用的電容均應采用雜散電感小的專用接地電容。

3 試驗驗證

變流系統的基本電氣參數如下:輸入電壓UDC為DC 1 500 V;支撐電容C=4 mF;開關頻率f1=1 350 Hz;輸出頻率f2=50 Hz;輸入電感L=3.5 mH。

首先對變流系統未增設回流路徑時的干擾頻譜進行測試,得到的測試結果如圖5所示。由于BTM天線的敏感信號頻段為2～6 MHz,本文僅對此頻段的頻譜進行觀測。由圖5可知:干擾的峰值功率點出現在4.13 MHz附近,幅值峰值為-51.94 dBm。

圖5 變流系統未增設回流路徑時的干擾頻譜截圖

為降低變流系統對車載BTM天線的干擾,采取降低干擾源強度的解決措施,在變流器箱內增加電源對箱體的接地電容,在電源正負線間增加高頻濾波電容,并進行了試驗驗證。增設的接地電容和高頻濾波電容的參數如表1所示。

表1 增設的接地電容和高頻濾波電容的基本參數

3.1 方案一(僅增加0.5 μF共模電容)

方案一下,測得的干擾頻譜如圖6所示。由圖6可知:增加了0.5 μF共模電容后,4.00 MHz頻率點附近的干擾幅值為-56.27 dBm(較圖5降低了4.33 dBm),這說明增加此電容后干擾信號中的共模分量受到了一定程度的抑制;但是,2.44 MHz附近的峰值點的幅值為-49.29 dBm(較圖5增加了2.65 dBm),這導致變流系統的整體干擾幅值有所提高,究其原因主要為增加的共模接地電容與回路中的等效電感在此頻率下發生了諧振,導致該頻率點的信號幅值增加。因此,方案一不能解決變流系統對BTM天線的干擾問題。

圖6 方案一的干擾頻譜截圖

3.2 方案二(僅增加1.0 μF差模電容)

方案二下,測得的干擾頻譜如圖7所示。由圖7可知:增加了1.0 μF差模電容后,4.00 MHz頻率點附近的干擾幅值為-55.59 dBm(較圖5降低了3.65 dBm),這說明干擾信號中的差模分量可通過增加的電容進行流通,干擾信號中的差模分量受到了一定程度的抑制。

但由于僅增加差模電容對干擾信號幅值的降低作用并不明顯,且與滿足工程應用的-60 dBm標準幅值的差距較大,因此,方案二不能解決變流系統對BTM天線的干擾問題。

3.3 方案三(增加0.5 μF共模電容和1.0 μF差模高頻濾波電容)

方案三下,測得的干擾頻譜如圖8所示。由圖8可知:峰值頻率點出現在2.88 MHz附近,峰值點的干擾幅值約為-58.93 dBm。與圖5相比,變流系統的整體干擾幅值降低了約7.00 dBm。方案三能夠基本滿足本工程項目BTM天線的抗干擾要求。

圖8 方案三的干擾頻譜截圖

4 結語

本文從遇到的實際工程問題出發,對城市軌道交通車輛車載變流系統產生電磁干擾的原理進行了分析,并對BTM天線接收到的干擾頻譜進行了測試,得出了電磁干擾的共模干擾分量與差模干擾分量相當的結論。

通過建立開關器件的等效簡化模型,結合預期需要改善的噪聲水平,得到了為降低共模干擾信號而增設的器件參數的理論值范圍。增加了共模干擾和差模干擾信號的流通路徑后,實現了干擾信號在變流系統內的循環流通,減少了對變流系統外設備的傳導干擾。最后通過試驗驗證了本文抑制電磁干擾策略的正確性,最終給出了降低BTM天線干擾信號的具體方案。

該方案不僅可以滿足實際的工程應用要求,還可用于指導后續變流系統產品的設計。在進行地面EMC試驗時,通過增加變流系統機箱端口對外傳導發射的基礎摸底測試,可進一步提高變流系統的可靠性與穩定性。