軌道車輛低頻磁場仿真的電磁環(huán)境建模分析

摘要：在開展軌道交通車輛的低頻磁場仿真時(shí)，常規(guī)方法是對(duì)設(shè)備箱體添加激勵(lì)，測試上方對(duì)應(yīng)位點(diǎn)幅值情況，經(jīng)常會(huì)遇到隨著測試位點(diǎn)高度的增加，仿真實(shí)測誤差逐漸增大的情況。文章基于Feko仿真平臺(tái)，通過建立多方向平面波模型模擬軌道車輛車體內(nèi)的電磁環(huán)境，補(bǔ)充電磁環(huán)境參數(shù)后發(fā)現(xiàn)對(duì)于客室車體內(nèi)各高度的低頻磁場仿真誤差得到明顯修正。

關(guān)鍵詞：軌道車輛；電磁環(huán)境；Feko；低頻磁場

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.08.004

中圖分類號(hào)：U 270.3；TP 3" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）08-00-02

Modeling Analysis of Electromagnetic Environment for Low Frequency Magnetic Field Simulation of Rail Vehicles

FENG Lina1， LIU Xiaojing1， MU Xiaotong2， XIA Tiantong3

（1. CRRC Nanjing Puzhen Vehicle Co.， Ltd.， Nanjing 210031， China; 2. Beihang University， Beijing 100191， China; 3. Shenzhen Beihang Testing Co.， Ltd.， Shenzhen 518052， China）

Abstract： When conducting low-frequency magnetic field simulation of rail transit vehicles， the conventional method is to add excitation to the equipment box and test the amplitude of the corresponding position above. It is common to encounter situations where the simulation measurement error gradually increases as the height of the test site increases. The article is based on the Feko simulation platform. By establishing a multi-directional plane wave model to simulate the electromagnetic environment inside the rail vehicle body， and supplementing the electromagnetic environment parameters， it is found that the low-frequency magnetic field simulation errors at various heights inside the passenger compartment body are significantly corrected.

Keywords： rail vehicles; electromagnetic environment; Feko; low frequency magnetic field

軌道交通車輛，如機(jī)車、動(dòng)車組、地鐵車輛、有軌電車等，由一系列具有不同電氣和電磁特性的子系統(tǒng)和部件組成，包括集電裝置、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)、列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。當(dāng)前，電力電子器件向著更高功率、更高頻率的方向發(fā)展，因此帶來了嚴(yán)重的高次諧波和電磁輻射[1]。

近年來，EMC仿真廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的開發(fā)。全波3D仿真和混合模式仿真等仿真方法得到發(fā)展[2]。然而，軌道交通車輛比消費(fèi)電子設(shè)備復(fù)雜得多，上述方法均不適合軌道交通車輛的電磁兼容仿真[3]。因此，有必要開發(fā)研究軌道交通車輛電磁兼容的建模和仿真方法。

軌道車輛車體是一個(gè)相對(duì)封閉的金屬結(jié)構(gòu)，其中，車體內(nèi)的海量小電流線束和大量小功率用電設(shè)備會(huì)直接影響車輛的環(huán)境電平。仿真軟件模擬的是理想環(huán)境，通常開展低頻磁場仿真時(shí)，對(duì)設(shè)備箱體進(jìn)行單一激勵(lì)，取上方不同高度的測試位點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。這種方法控制了仿真中引入的變量數(shù)量，保障了模型的計(jì)算時(shí)長相對(duì)可控。但是隨著測試位點(diǎn)高度的增加，誤差逐漸增大，且不同測試位點(diǎn)在達(dá)到某一特定高度時(shí)，場強(qiáng)值趨于一致，因此引入軌道車輛的電磁環(huán)境模型作誤差修正。

1" "基本原理

軌道車輛客室車廂的結(jié)構(gòu)，從概念上可以作為電波混響室。Franco等基于Hill推導(dǎo)的混響室內(nèi)場分布的平面波積分方程，采用FDTD法建立了多列平面波疊加的混響室環(huán)境，將模擬環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性[4，5]。同時(shí)又有前人選用有限列平面波疊加原理，基于Feko仿真軟件對(duì)平面波各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置以獲得統(tǒng)計(jì)均勻、各向同性的混響室模擬場環(huán)境，驗(yàn)證了應(yīng)用Feko建立混響室仿真的可行性。

仿真軟件是在理想空間理想條件下開展的電磁計(jì)算。在沒有進(jìn)行電磁環(huán)境補(bǔ)正的情況下，設(shè)備輻射的電磁場會(huì)在空間中，隨著與輻射源距離的增加快速衰減，導(dǎo)致在縱向變化趨勢上與實(shí)測產(chǎn)生較大誤差。因而，該建模很有必要。

2" "電磁環(huán)境建模方案

電磁環(huán)境補(bǔ)正面向的對(duì)象主要分為兩個(gè)層面：一是車輛附近高功率輻射源產(chǎn)生的輻射；二是車輛內(nèi)眾多相對(duì)低功率輻射源的輻射效應(yīng)的疊加。

兩方面的影響通過該建模進(jìn)行簡化處理。使用有限列平面波疊加的激勵(lì)源，通過調(diào)整激勵(lì)參數(shù)對(duì)軌道車輛進(jìn)行激勵(lì)，通過仿真實(shí)測對(duì)比完成對(duì)激勵(lì)參數(shù)的修正。對(duì)于不同仿真頻率，均需要單獨(dú)開展電磁環(huán)境建模工作。最終得到的修正參數(shù)作為該車型指定頻率下的工程經(jīng)驗(yàn)值，同時(shí)對(duì)于相近設(shè)計(jì)的車型，也可用以作為參考值。

3" "仿真方案間對(duì)比

基于深圳某地鐵車輛的設(shè)計(jì)參數(shù)，搭建整車仿真模型，設(shè)置模型相同、激勵(lì)不同的兩組仿真。模型由客室車廂與車下設(shè)備組成，客室車廂結(jié)構(gòu)由車頂、左側(cè)墻、右側(cè)墻、車廂底板以及電氣柜組成，車底下有牽引電機(jī)、逆變器、制動(dòng)電阻、高壓箱等設(shè)備的簡化模型。同時(shí)為了進(jìn)一步簡化車身3D模型，將蜂窩鋁合金型材側(cè)墻簡化為3cm厚的單塊金屬板，進(jìn)一步壓縮計(jì)算量。控制兩組模型車下設(shè)備箱的激勵(lì)一致，其中一組設(shè)置電磁環(huán)境模型，另一組不設(shè)置，提交仿真計(jì)算。

對(duì)于該型號(hào)車輛的設(shè)計(jì)，由電機(jī)附近大功率輻射源相對(duì)較少，便于對(duì)問題的分析，并且考慮到篇幅，因此，選擇電機(jī)位點(diǎn)進(jìn)行不同仿真方案間、仿真方案與實(shí)測值之間的對(duì)比驗(yàn)證。下面是對(duì)標(biāo)位點(diǎn)的磁場仿真曲線，橫坐標(biāo)為測量點(diǎn)距離地板的高度，縱坐標(biāo)為磁場強(qiáng)度，實(shí)線為有環(huán)境模型，虛線為無環(huán)境模型。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，電機(jī)在0.3 m、0.9 m、1.5 m測得的dc磁場值分別為0.279 mT、0.210 mT、0.146 mT；測得的50 Hz交變磁場值分別為0.30 μT、0.08 μT、0.04 μT。通過對(duì)比可以判斷電磁環(huán)境建模可以修正低頻磁場仿真，使仿真數(shù)值結(jié)果及分布趨勢更加符合現(xiàn)實(shí)的磁場分布規(guī)律。

4" "結(jié)束語

軌道車輛低頻磁場仿真作為一個(gè)電大尺寸問題，需要綜合考慮模型簡化以及問題等效的方法，通過電磁環(huán)境建模，規(guī)避了對(duì)細(xì)小電流結(jié)構(gòu)及低功率用電設(shè)備的建模過程，并且一定程度上保障了仿真計(jì)算的精度。

參考文獻(xiàn)

[1] Jiang D， Jiang Z. Subsystem Characteristics-Based Modeling Method for the Simulation of Electromagnetic Compatibility of Rail Transit Vehicles[C]//Proceedings of the 3rd International Conference on Electrical and Information Technologies for Rail Transportation （EITRT） 2017： Transportation. Springer Singapore， 2018.

[2] Zhaoming Q， Xin W， Zhengyu L， et al. Status of electromagnetic compatibility research in power electronics[C]//Proceedings IPEMC 2000. Third International Power Electronics and Motion Control Conference （IEEE Cat. No. 00EX435）. IEEE， 2000（1）： 46-57.

[3] Yuan Y， Chu Z， Tong H， et al. Simulation methods and engineering practices of EMI/EMC in railway vehicles[C]//2014 IEEE Conference and Expo Transportation Electrification Asia-Pacific （ITEC Asia-Pacific）. IEEE， 2014.

[4] HILL D A.Plane Wave Integral Representation for Fields in Reverberation Chambers[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，1998，40（3）：209-217.

[5] FRANCO M，ANNA P P.FDTD Analysis of Plane Wave Superpositionto Simulate Susceptibility Tests in Reverberation Chambers[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2006，48（1）：195-202.

作者簡介：馮麗娜（1986—），女，漢族，江蘇邳州人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)槌擒壾囕vCAE分析研究。

劉曉晶（1983—），女，漢族，黑龍江齊齊哈爾人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)镋MC設(shè)計(jì)。

穆曉彤（1985—），男，漢族，山東濰坊人，高級(jí)工程師，博士研究生，研究方向?yàn)檐壍儡囕v電磁兼容。

夏天童（1998—），男，漢族，山東濰坊人，工程師，本科，研究方向?yàn)檐壍儡囕v電磁兼容。