王武俊 连蓉 王清
中车永济电机有限公司 陕西省西安市 710018
摘要：作为大功率电压和电流转换装置，牵引变流器在整个电力机车系统中起着非常重要的作用。同时，由牵引变流器引起的一系列电磁兼容性问题作为电力机车电磁干扰的主要来源而受到越来越多的关注。在本文中，我们集中研究牵引变流器系统的电磁兼容性。
关键词：牵引变流器；电磁兼容；分析
前言：目前，我国的铁路牵引技术已基本从直流驱动发展为交流驱动。由于交流驱动的电力机车配备有大功率牵引变流器装置，因此这些装置包括大功率开关装置。将高压转换成大电流时，开关频率非常高。因此，当牵引变流器系统输出电流时，不可避免地会产生大的谐波。如果此时的机车电磁兼容性不佳，即屏蔽，滤波或接地不良，将导致严重的外部电磁干扰。
一、牵引变流器的电磁兼容性及基本原理
（一）牵引变流器的电磁兼容
目前，我国的铁路牵引技术普遍采用交流传动，交流传动电力机车的牵引变电站设备配备有大功率开关装置。这些高功率开关器件以较高的频率执行高电流和高电压开关。因此，牵引转换器输出的电流不可避免地具有谐波。电力机车的屏蔽，滤波和接地能力不足会导致电磁骚扰。
1.电磁兼容的基本概念
电磁兼容性（EMC）指使用特定的方法来使同一电磁环境中的不同电子和电气设备正常运行，而不会干扰其他设备的正常运行。一般来说，电磁兼容性涉及两个主要部分：电磁干扰和电磁抗扰度。 电磁干扰（EMI）是由带有电压和电流的传导或电磁场引起的电磁现象，会降低某个装置，设备或系统的性能，或对生物或物质产生不利影响。电磁抗扰度（EMS）指特定环境中的设备或系统在正常运行期间承受响应标准和相应规定之内的电磁能量干扰的能力。
2.牵引变流器的电磁干扰
牵引变流器引发的电磁干扰主要包括：
（1）牵引变流器功率开关设备的高频开关操作会产生较高的dI/dt和dv/dt，但实际的主电路和驱动电路均具有分布的电感和分布的电容。dv/dt会在电容器中产生较大的充电和放电电流，从而在电气系统中造成严重的电磁干扰。dI/dt在分布电感中感应出电压。在高功率驱动系统中，较大的电流环路也是辐射的来源，产生电磁场，辐射到周围空间。
（2）牵引转换器的输出由长线驱动后出现过电压问题，转换器输出的PWM电压信号通过长线传输到电机侧，从而在定子侧产生过电压。反射和其他原因不仅会增加电机绕组的绝缘和应力，还会缩短绕组的寿命。
（3）牵引变流器在运行过程中产生的高频差模辐射干扰和共模辐射干扰会耦合到其他电气设备，并影响其他系统的正常运行。
（4）牵引交流器产生的共模电压在与电路的寄生电容相互作用后会产生高频轴电压，泄漏电流和轴承电流。产生的高频泄漏电流会随着轴承电流的放电而干扰同一系统中的其他电气设备。因此，太高的轴承电流和轴承电压会对电机轴承造成严重威胁。
（5）变流器操作的核心是基于弱电流的控制系统。当主电路工作时，主电路会产生强烈的电磁干扰信号和外部干扰信号，因此控制系统对这些干扰信号的干扰非常敏感。另外，控制电路同时具有模拟信号和高速数字信号。它们产生的快速时钟信号产生共模和差模辐射。同时，模拟和时钟信号容易受到各种信号的干扰。 控制系统的电磁兼容性非常重要，因为它是敏感设备。
3.牵引变流器的电磁兼容性标准
电气化铁路系统周围的电磁环境极为复杂。系统中集成了各种电气和电子设备以及电缆，包括敏感的和高度集成的信息设备以及大功率电气设备。各种信号都集中在一个空间中。铁路系统的电磁环境变得越来越复杂。结果，电磁兼容性标准已经成为电气化铁路的重要标准。
当前，世界上有许多可靠的电磁兼容性标准。同时，我国还制定了各种电磁兼容标准。这些标准明确规定了不同类型的电气和电子设备在不同频带上的抗扰度和骚扰发射限值，以及相应的测试方法，设备和测试场所。电力机车对环境的电磁污染引起了国内外环保界和机车制造业的广泛关注，同时将电磁兼容性检验列入为判定电力机车能否投入使用的重要指标之一。
（二）变流器的基本原理
图1显示了牵引转换器的基本结构，组件包括整流器部分，中间DC回路，逆变电路和控制回路。交流电通过整流器，整流并滤波为直流电，然后通过控制电路和逆变器电路。控制电路可以周期性地控制逆变器的开和关，从而使牵引转换器能够向牵引电动机提供频率可变的电源，供电机运行。
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图1 变流器基本结构示意图
二、牵引变流器的电磁干扰抑制
（一）电磁屏蔽
电磁屏蔽罩用屏蔽罩将组件，电路，组合件，电缆或整个系统的干扰源封闭起来，以防止干扰电磁场的扩散，同时防止系统受到外部电磁场的干扰。对于低频交变磁场，可以使用高导磁率的材料（例如铁镰合金）形成低磁阻路径来屏蔽磁场。 对于高频磁屏蔽，屏蔽壳可以由高导电性的导电材料（例如铝或铜）制成。当屏蔽体材料的屏蔽效果较高时，有两个因素会影响屏蔽体的屏蔽效果。
1.屏蔽体的导电连续性。但是，牵引转换器外壳上有许多孔（通风孔，显示屏开口等）和间隙。这些孔和间隙影响屏蔽的导电性连续性，导致电磁泄漏并影响屏蔽效果。
2.穿过屏蔽罩的导体。始终有一条穿过外壳的电缆。这些电缆对屏蔽层有很大的伤害，并降低了十分贝，降低了屏蔽层的屏蔽效果。
（二）干扰滤波
将干扰过滤波与电磁屏蔽技术结合在一起可以阻止所有电磁能量传输方法（传导和辐射）。牵引变流器机架上的外部拖曳电缆用作天线。它产生的电磁辐射远高于由于机箱中的屏蔽层不完善而导致泄漏时产生的电磁辐射。可以将滤波器连接到电缆的端口，以消除干扰电流。
三、发展趋势
（一）系统电磁干扰机理分析和干扰抑制方法的研究
关于EMC测试方法和标准的研究很少。传统的电磁兼容性标准检测方法不适用于大功率，大电流驱动系统的EMC检测，例如要选择人工电网的哪个参数；如何在电动机和负载（功率计）之间实现有效的电磁绝缘；如何找出最大的干扰源在哪里；系统测试期间如何供电；如何更换电机；例如降低暗室成等。 所有这些都需要彻底研究。
（二）共模电流的传导发射研究
共模电流引起的电磁干扰比差模电流大得多，但是由于在高输出/大电流驱动系统中由差模电流引起的电磁干扰不容忽视，因此我们将处理当前的差模研究。由于实验条件的限制，目前的主要研究仍集中在低频传导发射的研究上，关于高频辐射发射的研究相对较少。
（三）滤波器的设计
目前，关于抑制电磁干扰的方法的大多数研究都集中在滤波器设计上，但仍然缺少更有效的抑制电磁干扰的措施。
除了对上述重要问题进行详细研究之外，对牵引变流器的电磁兼容性的研究还可以研究变流器外部电磁干扰的仿真。改进的仿真精度可用于转换器电磁兼容性设计。它使用整流来提供更有效的参考数据，从而使转换器的电磁兼容性设计更加有效和可靠。
结语：综上所述，牵引变流器本身的电磁环境非常复杂。另外，该系统在不同情况下呈现出不同的场源和边界条件，并具有不同的分布参数。这带来了电磁兼容性研究，并且测试提出了主要挑战。但是，以前的文献研究具有较高的参考价值，并指出了以后研究的方向。在以后的研究中也需要填补许多空白。
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