辅助变流器传导骚扰测试及抑制技术研究

辅助变流器传导骚扰测试及抑制技术研究

陈以功

(株洲中车时代电气股份有限公司 湖南 株洲 412001)

摘要：辅助变流器在工作过程中不可避免地会产生电磁干扰，其中一部分会通过电缆传播形成传导骚扰，与它通过电缆连接的其他设备会受到其传导骚扰的影响，进而对车辆运行安全构成威胁。本文明确辅助变流器产品传导骚扰的测试方法，通过对测试结果的分析和比对，验证了传导骚扰抑制措施的有效性。

关键词：辅助变流器，电磁干扰，传导骚扰，抑制措施

1 引言

随着科技的发展，电力电子技术得到了大量应用，人们逐渐认识到必须有效控制各种电磁干扰，保障设备在复杂的电磁环境中能够实现正常工作。电磁兼容已经发展成为一门学科，系统分析电磁干扰的成因，深入研究电磁干扰传输方式和耦合机理，探索控制电磁干扰的有效手段。

近年来，随着机车车辆辅助变流器的不断发展，大量应用大功率、高电压和极高开关频率的现代变流技术，极大地提高了功率部分的电磁干扰能量，各类车载电子设备受到干扰发生误动作，轻则引起设备故障，重则会影响车辆的安全运行。

2 辅助变流器工作原理

辅助变流器的输入电压可以是直流，也可以是交流的，因而其主电路可以据此分为交-直-交和直-交型两种类型。

2.1交-直-交型辅助变流器

交-直-交型辅助变流器的输入为交流电压，由牵引变压器的辅助绕组为其供电，由整流器、中间直流电路、逆变器三部分构成主体。

整流器负责将辅助绕组输入的单相交流电压整流成直流电压；中间直流电路将整流器输出的直流电压进行滤波和平滑处理，减小纹波电压后为逆变器输入稳定的直流电压；逆变器负责将直流电压转换成为三相交流电，经滤波后输出给负载。

2.2直-交型辅助变流器

直-交型辅助变流器的输入为直流电压，为了稳定输出电压的波形和幅值，需要额外配置变压设备。一般采用斩波器或者变压器来实现电压变换。

斩波器主要作用是把牵引变流器输出的中间直流电压调整到适当的大小，从而保证逆变器输出的电压符合要求，输出电压的波形则通过控制逆变桥的输出占空比来实现。

采用降压变压器的直-交型辅助变流器原理电路中，逆变器在输入电压比较高的情况下，其输出端的交流电压也会过高，因此需要通过使用降压变压器来调整输出值，变压器也能够起到平滑输出电压波形的作用。

3 传导骚扰耦合机理及测试方法

3.1传导骚扰耦合机理

传导耦合是指系统内部的电磁干扰能量通过金属导线、电容或电感等元件，在电路中以电压或电流的形式耦合到敏感设备上，对其产生影响。传导耦合一般可分为电路性耦合、公共阻抗耦合、电容性耦合、电感性耦合四种形式。

在电路的工作频率内，当干扰源产生的干扰电压或干扰电流足够大到能够影响电路中的敏感设备，那么就会影响整个电路的正常工作，使其无法实现预期的功能，甚至会损坏电路中的器件，使电路失效。

3.2传导骚扰测试方法

测试开始之前，应当首先确定被试设备工作状态，工作状态的选择应最大程度地复现被试设备实际应用中的工作状态，应使测试结果能够尽量真实地反映被试设备实际工作时的传导骚扰发射情况。

测试设备主要有接收机、人工电源网络（LISN）、电压探头，测试场地应具有比被试设备（EUT）边框的各边都大0.5m以上的金属接地平板作为参考接地平面，其尺寸最小应有2m×2m，使用的交、直流电源其本底噪声应能低于测试标准要求的限值线6dB以上。

试验过程中，被试设备应放置在10cm高的木垫上，EUT和电压探头均需要通过低阻抗可靠接地，以确保人员和设备的安全，保证测量结果的准确性。

4 传导骚扰抑制技术

电磁干扰的形成必须要有干扰源、传播路径和敏感设备等三个条件，那么，想要抑制电磁干扰，关键就是控制并削弱干扰源和切断传播路径。

控制干扰源需要从干扰产生的根本上削弱其对外发射的水平；切断传播路径则可以运用接地、屏蔽和滤波技术。

磁环作为测试整改工作中常用的电感性器件，它的工作原理是把线路上的干扰转换成热量，它结构简单且便宜，参数和型号众多，而且在整改过程中容易套加、更换，能快速进行故障定位和排除。

线路中的传导骚扰有差模和共模两种形式。为了应对共模干扰，一般会在磁环上绕匝数相同、方向相反的线圈，形成共模扼流圈，其能有效抑制电源线和地线间的干扰。

当导线在磁环上绕制时，磁环电感L与匝数的关系为：

其中：为真空磁导率；为相对磁导率；N为线圈匝数；为磁芯常数。假设磁环的内、外径分别是d、D，其长度是h，那么，其磁芯常数则为：

可求出磁环阻抗为：

由并联电路的基本特性可以知道，在谐振频率点上，电路产生并联谐振，电路中电压和电流同相，表现为纯电阻性，此时电路具有最大的阻抗。谐振频率为：

由此可知，使用磁环可以改变电路局部高频参数，使回路阻抗增大，将高频电磁能量转换为热量消耗掉，从而起到抑制高频干扰的作用。在使用磁环时，主要需要考虑选择合适的磁性材料、大小和圈数。

5 试验验证及分析

为验证前文所述传导骚扰抑制措施的有效性，本次试验以某型辅助变流器为被试设备（EUT），对其进行传导骚扰测试。

5.1试验测试系统搭建

EUT主电源输入为DC750V，控制电源输入为DC110V，输出三相AC400V/50Hz交流电，输出的额定容量为80kVA。试验过程中让EUT分别带一台400W风机、一套星形连接4Ω+8mH阻感负载以及一套星形连接2Ω+2mH阻感负载运行，模拟EUT空载运行、轻载运行和满载运行三种工作状态。

5.2传导骚扰测试

本次测试在DC750V主电源输入端进行，被试设备分别在前文所述的空载、轻载和满载状态下运行，测试传导骚扰发射值，确定发射最大的工作状态，并在此工作状态下，分别做在DC750V主电源进线套加两个共模磁环、在DC750V负线对地加0.22μF电容和0.47μF三种整改方案，依次测试各整改方案下的传导骚扰发射值，比对它们对干扰抑制效果的优劣。

采用电压探头依次对DC750V电源正线和负线进行测试，三种工况下DC750V电源正线端口测试结果见图5.1，DC750V电源负线端口测试结果见图5.2。

蓝色曲线--空载工况黑色曲线--轻载工况绿色曲线--满载工况

图5.1 DC750V正线测试数据图

由图5.1可以看出，三种工况下辅助变流器DC750V正线端口的传导骚扰在800kHz频率点左右都形成了较高的突起，其中发射最高点发射在空载工况下。最多超过标准规定的限值线23.35dB，在800kHz之前，空载工况下的整体发射水平比另外两种工况更高，而在2MHz～8MHz频段，空载工况的发射水平有明显低于另外两种工况。

蓝色曲线--空载工况黑色曲线--轻载工况绿色曲线--满载工况

图5.2 DC750V负线测试数据图

由图5.2可以看出，三种工况下DC750V负线端口的传导骚扰在800kHz频率点左右也都形成了较高的突起，其中发射最高点出现在空载工况下，最多超过标准规定的限值线33.11dB。

5.3整改测试及结果分析

通过对比，DC750V正线和负线端口的最大发射点均在空载工况下产生，因此，选择在空载工况下，分别测试三种整改方案下的传导骚扰发射值，DC750V电源正线端口整改测试结果见图5.3，DC750V电源负线端口测试结果见图5.4。

蓝色曲线--DC750V负线对地加0.47μF电容黑色曲线--DC750V负线对地加0.22μF电容                            绿色曲线--DC750V主电源进线套加两个共模磁环

图5.3 DC750V正线测试整改数据图

蓝色曲线--DC750V负线对地加0.47μF电容黑色曲线--DC750V负线对地加0.22μF电容                            绿色曲线--DC750V主电源进线套加两个共模磁环

图5.4 DC750V负线测试整改数据图

分析图5.3中DC750V电源正线端口整改测试结果，可以看出在主电源进线套加两个共模磁环后，发射曲线的突起被推后到了2MHz之前，150kHz～2MHz频段发射被压低到了限值线之下；而在DC750V负线对地加0.22μF电容和0.47μF电容后，发射曲线的突起被推后到了2MHz之后，150kHz～2MHz频段被进一步压低，加0.22μF电容的情况下，在测试开始频段的发射仍然比较高，而加0.47μF电容的情况下150kHz频段的发射减小到了90dBμV左右，已经比较理想，虽然在突起处的峰值发射仍然较高，但该点处的准峰值发射已经低于限值线，可以通过测试。

分析图5.4中DC750V电源负线端口整改测试结果，可以看出在这三种整改措施下，负线端口的发射差异非常大，但原先在800kHz左右处的突起已经明显被消弱了。

在主电源进线套加两个共模磁环后，发射曲线在300kHz之前没有明显的变化，在300kHz之则迅速向下变小；在DC750V负线对地加0.22μF电容，发射曲线在150kHz频段左右反而被抬升到了将近115dBμV，随后迅速走低，在2MHz左右形成一个小的突起，但其峰值已经在限值线之下了；而在DC750V负线对地加0.47μF电容的情况下，发射曲线在150kHz频段已经被压低到95dBμV左右，随后迅速走低，发射曲线没有再形成突起，整条测试结果的峰值曲线均在限值线以下，抑制效果最为显著，可以通过测试。

6 结论

本文以一型辅助变流器装置为研究对象，从抑制其传导骚扰的角度出发，对其结构和传导骚扰抑制措施进行了研究，通过对测试结果的分析和比对，验证了传导骚扰抑制措施的有效性。

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作者介绍：

陈以功（1988.4-），男，安徽六安人，工程师。