牽引變流器箱體電磁泄漏及電磁屏蔽設計研究

余　俊， 陸　陽， 陳　波

(1　北京縱橫機電技術開發(fā)公司， 北京 100081；2　中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081)

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牽引變流器箱體電磁泄漏及電磁屏蔽設計研究

余俊1， 陸陽2， 陳波2

(1北京縱橫機電技術開發(fā)公司， 北京 100081；2中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081)

分析了牽引變流器電磁輻射治理的必要性，結合變流器箱體機械結構，完成了變流器箱體電磁泄漏測試，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析，對電磁泄漏嚴重的測點進行排序，提出了電磁屏蔽設計建議，為變流器箱體電磁屏蔽結構設計提供設計參考。

牽引變流器； 電磁干擾； 電磁屏蔽

機車、動車組及地鐵列車整車試驗主要針對軌道車輛進行兩類電磁騷擾測試：(1)9 kHz～1 GHz 動車組、機車、城軌列車對外射頻騷擾試驗：該試驗為IEC 61133-2-2006《鐵路設施—鐵路車輛—車輛組裝和運行前的整車試驗》中規(guī)定的型式試驗項目，即所有列車必須通過此項試驗，才能順利獲得合格證。(2)0～20 kHz動車組、城軌列車車內(nèi)電磁環(huán)境測試：該試驗參考TB/T 3351-2014《動車組內(nèi)低頻磁場限值與測量方法》。

在2000年8月4日因為西門子Eurosprinter1116型速度230 km/h快速貨運機車及動力集中客運動車組上線后對軌道電路引入了電磁干擾，該機車進入德國鐵路的許可證被取消了好幾個星期。

變流器這種大功率變壓變頻電力電子器件是動車組、地鐵車輛及機車主要電磁輻射源之一。對變流器電氣設計、機械結構設計的優(yōu)化有益于變流器本身的運行、有益于降低軌道車輛對道旁設備及居民信號設備的不利影響、有益于減少因輻射造成的司乘人員健康危害。

1　牽引變流器電磁輻射治理的必要性

1.1射頻干擾治理的必要性

動車組對外部的9 kHz～1 GHz電磁輻射騷擾，雖然不至于影響道旁工業(yè)、居民電氣設備的正常運轉，但對道旁信號設備、居民無線電臺及影音信號設備的影響是非?？捎^的。通過型式試驗數(shù)據(jù)的分析可知，動車組對道旁10 m處的射頻干擾信號強度超過無線廣播電視信號(AM、FM廣播、電視伴音信號)強度的10倍以上，直接影響到居民收視收聽效果。

其次，型式試驗是必做試驗，也是必須達標的試驗。所以，變流器制造商在研發(fā)階段注意電磁兼容設計可以節(jié)約后續(xù)整改消耗的人力物力成本。

1.2低頻磁場輻射治理的必要性

動車組內(nèi)電磁輻射是大眾持續(xù)關注的問題。美國和德國的相關研究表明：長期暴露在 0～20 kHz的低頻磁場輻射環(huán)境中的人群，癌癥發(fā)病率、不孕不育癥發(fā)病率、神經(jīng)衰弱、老年白內(nèi)障發(fā)病率比其他人群高。并且，超劑量的0～20 kHz磁場輻射有導致心臟起搏器和電動輪椅停止工作的風險。

同樣，車內(nèi)的電磁輻射測試已經(jīng)加入了中國鐵路總公司動車組研究性試驗中，不排除未來該項試驗的重視程度會提高。而且國家已經(jīng)發(fā)布了GB8702-2014《電磁環(huán)境控制限值》對職業(yè)和公眾暴露有強制性的電磁發(fā)射限值要求。

2　牽引變流器電磁泄漏測試及分析

2.1牽引變流器電磁泄漏測試

(1) 試驗概況

試驗部件：某廠家牽引變流器；

測試項目：電磁泄漏測試；

測試環(huán)境：中國鐵道科學研究院東郊分院交流傳動國家重點試驗室。

(2) 試驗設備

EMI接收機，近場探頭。

(3) 試驗方法

牽引變流器控制電機模擬動車組以(50±10) km/h運行，陪試牽引變流器調(diào)節(jié)陪試電機提供被試電機約最大牽引或電制力1/3的負載轉矩。

在牽引變流器底板縫隙，2個側板每個箱門，前面板四象限輸入電纜、前面板電機電纜等處，使用近場探頭測試30～230 MHz電磁泄漏。

2.2試驗現(xiàn)場照片及變流器箱體結構(圖1～圖6)

交流傳動試驗臺包含完整的牽引組合系統(tǒng)，即25 kV單相交流電源、牽引變壓器、被試牽引變流器、陪試變流器、被試電機、傳動試驗臺及陪試電機[1]。

牽引變流器部件在機械結構上分為箱體主體、2個側板、背板、進出線板以及底板。各板與箱體采用整體焊接結構。

圖1　異步電機背靠背、交流能量互饋系統(tǒng)原理圖

圖2　試驗室現(xiàn)場照片

2.3測試結果及數(shù)據(jù)分析

由于測試數(shù)據(jù)量大且受篇幅限制。本文給出典型電磁泄漏測試點數(shù)據(jù)，如圖7～圖10所示，紫色線為電磁泄漏信號，黃色線為背景噪聲。

圖3　被試牽引變流器總體結構圖

圖4　牽引變流器進出線板正視圖

圖5　牽引變流器背板正視圖

圖6　牽引變流器底板正視圖

圖7　牽引變流器底板正視圖

圖8　進出線板-電機電纜現(xiàn)場照片+測試數(shù)據(jù)

圖9　進出線板-牽引控制單元航插現(xiàn)場照片+測試數(shù)據(jù)

圖10　進出線板-焊縫現(xiàn)場照片+試驗測試數(shù)據(jù)

在30～230 MHz測試頻段內(nèi)，按照牽引變流器各箱門及進出線口的電磁泄漏嚴重程度排序，找出4個泄漏最嚴重的測點，見表1。

表1　泄漏最嚴重的4個測點

3　變流器電磁屏蔽設計建議

在變流器設計中，變流器側門的密封圈為絕緣體。而近場電磁屏蔽的必要條件是采用高電導率的金屬屏蔽體，并且進行良好接地[2]。所以應當考慮：(1)將絕緣密封圈更換為導電襯墊或導電橡膠。(2)將門縫處的絕緣漆去除，并保證導電橡膠良好地與箱體金屬面接觸。

目前能制成纖維的金屬有鋁、鐵、銅、鉬、鉛和鎢。市場上最常用的是鋁纖維、不銹鋼纖維和銅纖維?？蓞⒖急?對屏蔽材料進行選擇。

底板處四邊開了6～8個螺栓孔，該部分主要為孔隙泄漏。電磁泄漏程度與接觸面的表面粗糙度、開孔大小有關。在加工底板時，注意底板與變流器接縫處4個邊的表面加工精度，降低表面粗糙度，以保證底板與變流器箱體的良好連接。

底板和變流器接縫處可考慮去除變流器箱體接縫處的絕緣漆，并在底板處增加導電橡膠或者導電布,螺孔處可加銅網(wǎng)。

正面進線板電磁泄漏最大，因其不僅開了20多個螺孔，而且還有20多個進大線孔。進線孔處應當增加金屬導線管，并保持與正面板的密封。

表2　幾種常見屏蔽材料的性能

4　結束語

電磁屏蔽技術是電磁兼容技術的一個重要組成部分，是抑制電磁輻射干擾的重要手段。本文分析了牽引變流器電磁輻射治理的必要性，結合變流器箱體機械結構，完成了變流器箱體電磁泄漏測試，并對試驗數(shù)據(jù)進行分析，對電磁泄漏嚴重的測點進行排序，提出了電磁屏蔽設計建議，為變流器箱體電磁屏蔽結構設計提供設計參考。

[1]李偉，張黎. 鐵道牽引交流傳動試驗臺的發(fā)展[J].鐵道機車車輛，2008,28(S1)121-124.

[2]劉順華.電磁波屏蔽及吸波材料[M].北京：化學工業(yè)出版社,2007年.

Research on the EMI Leakage of Traction Converter and Electromagnetic Shielding Design

YUJun1,LUYang2,CHENBo2

(1Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100081, China;2Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The necessity of Governance of traction converter EMI leakage was analyzed in this article. The EMI leakage of traction converter was tested combined with mechanical structure. Moreover, this research analyzes the test data and ranks the leakage severity of all test point. Lastly, this article provides advices of EMC design and summarizes the methods of Mechanical Design for traction converter.

traction converter; EMI; Electromagnetic shielding

1008-7842 (2016) 03-0134-04

男，工程師(

2015-12-18)

U264.3+7

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.30