电磁兼容技术在交流传动机车中的应用研究

电磁兼容技术在交流传动机车中的应用研究

徐天立

中车大连机车车辆有限公司 辽宁 大连 116021

摘要：随着现代电子技术在交流传动机车中的广泛应用，传统的机械交流传动机车已被现代电子交流传动机车所取代。各种电子和电气产品占总成本的30%或更多交流传动机车,和这一趋势仍在发展中。

关键词：电磁兼容技术；电磁干扰；交流传动机车

1 交流传动机车电磁兼容性

交流传动机车的电磁兼容性(EMC)定义为车辆或部件或独立技术单元在其电磁环境下工作的能力，而不会对环境中的任何东西造成不必要的电磁干扰。交流传动机车的电磁兼容也可以理解为:在交流传动机车及其周围空间内，在一定时间(工作时间)内，在频谱资源可用的情况下，交流传动机车自身与周围电气设备可以共存，性能(功能)不会降低或损失。电磁干扰包括干扰来源,传输路径的干扰来源和设备对干扰敏感。

1.1干扰源

干扰源有很多种，可分为内干扰源和外干扰源两大类。

1)内部干扰源

设备中有两种干扰源，一种是传统部件，包括雨刷、冷却风扇电机、发电机、分电器、手电筒、电喇叭等。另一种是现代组件,包括:中央门锁控制器、电子燃油喷射控制器,各种电子模块,各种汽车ECU, SOC等。

2)外部干扰源

来自外部的干扰源有以下几种:来自自然的干扰,如闪电,宇宙射线,地磁辐射等等;来自日光灯、电扇等低频干扰来自电钻、电喇叭、电源开关、电动机电刷的电火花干扰;来自雷达、高频发射机的高频干扰;高压电气设备、高压输电线等的电晕放电会产生宽带感应脉冲,干扰与其临近的逻辑电路,使其误动作。

1.2 干扰源的传递途径

干扰源的传递有以下三个途径:①通过公共阻抗引入干扰源,公共阻抗可以为各种形式，如公共电源、公共地线、信号线和阻抗不匹配等;②接近电路干扰来源时,如果两个之间的距离在λ/ 2π干扰波长(λ),干扰将进入通过电容或者电感耦合电路;③当干扰源离开某一电路较远,两者的距离大于λ2π时,则干扰将通过远场电磁波辐射方式耦合。

1.3 干扰敏感设备

电子模块、ECU、安全气囊控制器、电子燃油喷射控制器、信号电缆等都属于干扰敏感设备。

2 电磁兼容设计的原理及基本原则

在交流传动机车的设计中，不仅要充分考虑机车内部设备的抗电磁干扰能力，还要避免这些设备对其他设备造成电磁干扰。交流传动电力机车的电磁兼容设计，主要考虑接地、接线、屏蔽、滤波等方面。

2.1 接地

车辆接地可以根据其功能分为两类:安全接地和电磁兼容接地。安全接地是使用低阻抗导体连接电气设备的外壳,所以运营商不会导致电击风险由于泄漏或故障放电的外壳。电磁兼容接地是机车的设备连接到接地通过低阻抗导体层,消除高频干扰的排放源和静电放电的电子和电气设备,以避免电磁干扰的设备。在交流传动机车上,安全接地和电磁兼容接地通常合二为一。在交流传动机车的接地设计中，首先要构建完善的整车接地构架。完善的整车接地构架可以用来为整车提供良好的安全接地，释放高频干扰电流、电气设备的静电,还可以为电磁屏蔽提供良好的接地点。图1为交流传动机车整车接地的示意图，车体、变压器壳体、转向架、主变流器柜体、电器屏柜柜体等通过轴端接地装置与大地等电势。这个接地方案不仅可以使机车和车辆的设备有良好的安全接地,也有效地避免外部干扰的电磁干扰来源机车,机车到外部设备的干扰。

图1交流传动机车整车接地的示意图

为了保证良好的接地效果，接地线的连接应满足.以下原则:

①接地线必须低阻，尽量短，尽量粗；②互连金属应当尽可能的相同类型的；③接触面应为光亮的金属表面；④接触面应采取防腐措施；⑤地线连接应牢固可靠。

2.2 合理的布局和布线

电路的布局和系统内部的布线,会直接影响系统的电磁兼容性,因此其布置需合理。一般来说,远场辐射对电路布局影响不大,而近场感应的大小与电路布局有着直接的关系。近场感应的电感性耦合,互感系数随着导线间距的增大而减小，且靠近接地面，因此应减少电路导线的封闭面积，电路尽量分开，正确安排导线的方向，限制电流的频率和上升时间,利用屏蔽和接地等方法来减小电感性耦合的影响。近场感应的电容性耦合,其减小电容性的方法与电感性耦合相同,在实际应用上应使所有导线尽量接近地平面。

2.3 屏蔽

屏蔽原理是用屏蔽体包绕干扰源，防止干扰电磁场在空间中扩散。相反，敏感源可以用屏蔽材料包裹，保护敏感设备免受外层空间电磁场的影响。在交流驱动机车中，屏蔽主要包括敏感设备和电缆的屏蔽。敏感设备的屏蔽主要包括计算机网络控制设备的屏蔽，如中央控制单元(CCU)、牵引控制单元(TCU)、智能I/O模块等。电缆的屏蔽主要包括变压器电缆、辅助设备电缆、控制电缆、信号电缆、数据传输总线等。屏蔽变压器电缆和辅助设备电缆的用途是防止其对敏感设备的干扰。屏蔽信号电缆和数据传输总线电缆的目的是为了避免外部电磁场的干扰。同时实现了屏蔽控制电缆的目的。

对于敏感设备的屏蔽体的设计要注意以下几点:

①保证屏蔽体的导电连续性,即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体；②屏蔽体必须良好接地；③对于通风口、柜门等屏蔽体开口的屏蔽必须妥善处理；④屏蔽体必须使用良好的导电材料。

2.4 滤波

滤波是抑制和防止干扰的重要手段。采用滤波技术可以抑制干扰源，消除干扰耦合，增强接收电路的抗干扰能力。滤波器有很多种，如低通、高通、带通、带阻等。

3 电磁兼容设计的具体应用

根据以往设计经验或标准获得的交流传动电力机车电磁兼容设计的原理及基本原则，具体到交流传动电力机车的设计,存在许多满足电磁兼容要求的技术方案。以下根据既有交流传动电力机车设计的成功经验,简单介绍交流传动机车电磁兼容设计中屏蔽技术的实际案例。

机车的中央控制单元（CCU）和智能I/O模块.安装在低压柜内,低压柜内同时有440230V变压器及接触器等设备,对电磁屏蔽提出了很高的要求。为了满足电磁兼容的要求,低压柜的骨架采用了封闭式金属骨架,材料选用具有良好电导率和磁导率的钢材。柜体通过2根铜绞线与车体直接接地保证良好的接地性能。中央控制单元(CCU)和智能I/O模块的安装区域为完整的金属墙，柜门和通风孔除外。屏蔽柜门通过导电布衬板与低压柜架的金属表面相连，通风孔由EMC栅极屏蔽。以上的设计方案,使安装中央控制单元（CCU）和智能I/O模块的低压柜局部形成完整的、连续的屏蔽体,防止机车内的电磁场对敏感设备造成干扰。

作为极易产生电磁干扰的电缆,机车的辅助电路电缆采用了带屏蔽层的单芯电缆同时双端接地。为了取得良好的电磁屏蔽效果,单芯屏蔽的接地直接接“机车地”而非使用屏柜.上的接地点。由于空间的限制，屏蔽层接地采用了焊锡环的方式。焊锡环的原理是通过加热使焊锡环内的预成型焊锡环和助焊剂充分热融流动充满整个透明的热缩管内空间，从而使.预置引出接地线连接的焊锡与单芯屏蔽线的屏蔽层整个圆周360°接触而达到良好的屏蔽效果。

机车的控制电路接线，通过连接器的信号电缆，屏蔽层通过连接器内部的电缆夹和屏蔽连接支架接地。屏蔽连接支架通过连接器外壳与“机车接地”的连接接地。电缆夹具可用于直径4.5-11毫米电缆的屏蔽层的接地。信号电缆通过端子带，屏蔽层通过安装在端子带上的屏蔽电压线架接地。汇流排压线框通过接地电缆与“机车地”相连,屏蔽电缆的屏蔽电缆通过汇流排与母排相连实现接地。

上述2种模式可以保证电缆屏蔽层与接地导体的接触为面接触,具有足够的接触面积。通过这2种方式，可以实现信号电缆屏蔽层的双端接地,具有良好的屏蔽效果。

4 结语

交流传动机车相对直流机车而言对电磁兼容提出了更高的要求。随着科学技术的进步、电磁兼容技术的发展、新技术和新材料的应用,交流传动机车的EMC设计必然会进入快速发展阶段,和实现的手段将更加多样化。

参考文献：

[1]刘尚合，刘卫东.电磁兼容与电磁防护相关研究进展[J].高电压技术，2014，40（6）.