关键词：牵引变流器；电磁兼容；电磁干扰

1 引言

随着中国经济的快速发展，我国轨道交通步入高速发展时期，截止2018年上半年，全国开通城市轨道交通运营线路的城市已达31个，运营里程4400公里；预计到2020年全国拥有城市轨道交通线路的城市将达50个，运营里程将达6600公里，蓬勃发展的轨道交通行业面临着一个重要问题，即电磁骚扰，轨道交通线路旁的居民电器、工业及军事设施会受到不同程度的干扰。轨道交通行业的电磁骚扰被列为电磁骚扰的五大来源之一^[1]。铁路系统上存在的干扰源主要包括内部干扰和外部干扰。比如弓网系统的故障放电，接触线上受电弓的滑动所产生的电磁噪声，机车内部各种电气设备之间所产生的电磁干扰，以及存在于轨道电路上的不平衡电流所产生的电磁干扰，这些都属于铁路系统的内部干扰；而例如工频干扰、雷电干扰、射频干扰以及电力干扰等外部产生的电磁干扰则属于铁路系统的外部干扰^[2]。

目前，中国的铁路牵引技术基本已经从直流传动发展到了交流传动，由于在交流传动电力机车上配置有大功率的牵引变流设备，而这些设备中都含有大功率的开关器件，这些器件在进行高电压、大电流的转换时，一方面其开关频率会很高，较高的电压电流变化率，会对外产生很强的电磁干扰，另一方面由于大功率半导体器件的非线性，势必会在牵引电流中产生谐波；因此，牵引变流系统在输出电流时，不可避免的会产生电磁干扰，如果此时电力机车的电磁兼容性较差，即屏蔽、滤波或者接地较差，该电力机车就会对外产生严重的电磁骚扰。不但影响周边的电磁环境，而且可能影响轨道上或轨道旁的轨道电路，干扰轨道旁的通信信号，对列车的安全运行构成严重威胁。另外，由于机车空间有限，强弱电不能完全分开，有可能造成机车本身故障频发，严重影响机车的可靠性^[3]。

因此，研究大功率交流传动设备对外的电磁干扰，对电力机车整车电磁兼容的研究，具有十分重要的意义。牵引变流器作为一个大功率的电压、电流转换装置，在电力机车的整个系统中发挥着极为重要的作用。同时，牵引变流器作为电力机车的主要电磁骚扰源，所引起的一系列电磁兼容性问题已经越来越受到重视。

2 研究现状

变流器对外产生的干扰，一般是通过电磁波的方式向空中辐射；通过线间电感向周围线路产生电磁感应：通过线间电容向周围线路及器件产生静电感应：还可以通过电源网络向电网传播。目前对牵引变流器的电磁干扰分析主要还是停留在传导干扰的分析上而对于辐射干扰的研究较少。

牵引变流器电磁干扰的抑制方法，即电磁兼容的技术措施，目前主要采用隔离措施，使变流器传送到被干扰对象的干扰信号减弱。对低频干扰主要通过串接滤波器之类的元件来阻止其沿电缆传输，防止电机过热和噪声；对高频干扰主要采用屏蔽、良好接地和搭接等手段来防止电磁波向外辐射，通常变流器能够运行在一个可能存在着较高电磁干扰(EMI)的工业环境中，此时它即是干扰发射源，又可能是受扰设备。文献[4]通过分析变流器的谐波产生机理，高频谐波干扰途径以及高次谐波的危害。提出了常用的一些抑制电磁干扰的措施，如增加滤波器、屏蔽、接地、隔离等，然而从根源上抑制干扰的方法提出的较少。

在最近几年出现了大量的电磁场和微波电路仿真软件，美国、俄罗斯、德国、等世界先进国家的电磁仿真技术已经形成一整套数字仿真和优化设计软件系统，而且一刻也没有停止过数值算法的完善和创新研究。并且各种软件的功能越来越强大，使用也越来越方便，这为具体电磁问题的设计分析提供了极大的方便，由于实际环境的复杂性，往往需要通过数值分析才能得到具体环境下的电磁特性。

电磁仿真软件的发展、仿真算法的提高，都为牵引变流器电磁兼容的分析和研究提供了强有力的工具。

各种功能强大的电磁场仿真分析软件的涌现，给电磁场工程研究带来了极大的便利。但需要指出的是，有效的使用电磁仿真软件必须建立在对电磁场理论深刻理解和丰富的经验基础之上，以下对牵引变流器电磁兼容与电磁场仿真研究的相关文献作了简单介绍，为后续牵引变流器电磁场仿真研究提供借鉴的思路与研究经验。

文献[5]通过实验确定了逆变系统会产生相当大的脉冲电流并通过电源线引入系统，造成严重的传导电磁干扰问题以及电力系统中的电压波形畸变，并提出了一种以评估驱动系统电磁干扰为目的模型；文献[6]提出了一种最新的软开关逆变器技术，通过采用了一个辅助开关和各相上的一个谐振电感，主开关可以在零电压的情况下打开，并且分别对1kW单相和100kW三相逆变器进行了实际测试，通过仿真和实测证实了软开关技术可以提高效率、减少EMI、减少dv/dt和di/dt；

关于此方面的研究逐渐深入，特别是系统参数模型的建立以及EMI产生机理及其抑制方法的研究，并逐渐有了仿真及实验数据，此间以Mutoh Nobuyoshi、Guttowski等为代表的作者对此方面的研究做出了突出贡献。文献[7]采用SABER仿真软件对随机PWM调制和普通PWM调制在减少电磁干扰（EMI）、驱动性能、驱动效率的转矩波动、电流控制系统的动态响应等方面进行对比分析，得出随机PWM调制可以比普通PWM调制减小10dB左右EMI噪声，并且对驱动性能几乎没有影响。文献[8]研究了将新型电力驱动系统安装在传统列车中引起的电磁兼容问题，从列车驱动系统组件作为噪声源以及部分耦合路径进行分析，并提出了逆变器、电机等高频集总参数模型用于EMI预测分析。文献[9]评估了可调速驱动系统传导发射测量中的不确定因素，从EMC测试布置的角度分析了不可重复性、配置以及工作条件不同造成的不确定度，对电源和电机线缆的相互位置、电机的线缆长度、PWM开关频率等在测试中的影响进行了详细和定量的分析。文献[10]主要对变流器驱动系统的传导电磁干扰进行了深入研究，基于多触点传输线模型，分析了线缆中传导干扰的传播特性以及共模电流及其耦合效应，对系统中干扰的分布与特点进行了研究，建立了逆变器、交流电机的高频电路模型，采用数值统计的方法进行计算，并提出了抑制传导干扰传播的有效措施。文献[11]提出了驱动系统矩阵变换器输入、输出滤波器的优化方法，矩阵变换器具有正弦输入电流波形和特定电压输出电压波形的拓扑结构，指出结合特定的滤波器拓扑结构的矩阵变换器能够有效减少电磁干扰；文献[12]提出了一套完整的电缆和感应电动机系统的三相分布常数模型用于电磁兼容及过电压的研究，该模型考虑了各相之间所有的电磁耦合，并提出了一种在方法上同有限差分模型非常相似的新的数值计算方法，应用Matlab软件简化了三相模型的建立；文献[13]采用三维电磁场分析建立了变流器、牵引电机的高频模型，其中电机每一部分的寄生电容都在静电场分析中计算得到，定子绕组的电感和电阻都在磁场分析中计算得到，通过这些电路参数得到电机的等效电路用于计算电机阻抗的频率特性，通过在分析中设置不同的线圈电流和边界条件来区别共模和差模的磁场分布，频率与计算出的电感和电阻的关系也被引入到电路仿真中，得到的电机阻抗频率特性同实测数据基本吻合；文献[14]研究了电源屏蔽线缆长度及其相对地面的位置和地面效应对可变速交流电机驱动系统中共模电流的影响，测量共模电流通过地面和连接至不同配置电机终端的屏蔽电缆返回至共模电压源的比例，可得出在特定的频率范围内哪个传播路径更优先，因此可采用适当的方法来限制或消除在特定频率范围内的共模电流；文献[15]对列车电驱动系统的重要组成部分进行建模和仿真，结合传输线模型进行场和电路的仿真，电路系统使用VHDL-AMS进行建模和仿真，每个组件的模型和总系统的仿真方法都通过测量进行了验证，并提出电磁兼容性能够基于此建模方法进行优化。

3 研究现状总结

现有文献对电力电子设备的EMI研究较多集中在开关电源，这是因为开关电源与脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)变流器相比，功率开关管要少得多，控制电路也相对简单，EMI产生的源和传播途径相对明确，而PWM变流器的研究的主要出发点是保护和驱动电机，对于变流器EMI的干扰机理、传播途径、如何达到电磁兼容标准等方面的研究尚嫌不足^[16]。

由于逆变模块功率开关管的快速通断造成的EMI相当大，对PWM变流器传导EMI进行研究就显得很有必要。变流器的传导EMI除了要考虑电力电子开关作用外，还要考虑较为复杂的电缆寄生参数、功率器件的寄生参数等因素，使得EMI的干扰非常复杂，尤其对共模传导EMI更是如此。

此外，对变流器EMC的研究国内大多是研究如何使已存在的EMI不对其它设备造成干扰，很少有从EMI产生的根源入手消除EMI。变流器产生EMI的根源是由一系列的PWM脉冲波，怎样使PWM脉冲波产生的EMI尽可能得减小，即从控制方法的角度减小EMI，是从根本上解决EMC问题的关键。

同时，国内对于牵引变流器电磁兼容性的研究还仅仅是通过研究将已经产生的电磁干扰对其他设备造成的干扰降到最低，而不是从对电磁干扰产生的根源进行防护。通过研究可知，牵引系统产生电磁干扰的原因主要是功率开关进行高频率开关转换，而另一方面则可能是由于脉冲宽度调制的脉冲波，因此，通过控制方法的角度，使脉冲宽度调制的脉冲波产生的电磁干扰尽可能的减小对于解决电磁兼容性问题就变得十分重要。

4 发展趋势

综合以上文献可见，关于牵引变流器EMC问题的研究目前还主要集中在以下很小的范围内：

（1）系统电磁干扰机理分析和干扰抑制方法的研究

对于EMC检测方法和标准的研究少之甚少。传统的电磁兼容标准检测方法不能够适用于大功率、大电流的驱动系统的EMC检测，例如选择什么参数的人工电源网络；如何实现电机和负载(测功机)的有效电磁隔离；如何找出系统中最大干扰源所在；系统测试中电源如何供给；如何更换电机；如何降低暗室成本等这些都是必须要深入研究的。

（2）DC/AC逆变器或DC/DC变换器的EMC问题研究

其中还是以DC/AC逆变器的EMC问题研究为主，只有少数几篇文献对整个驱动系统进行了研究。虽然逆变器或变换器的快速开关动作是整个系统的主要电磁干扰源所在，但是对于电源、电机、电缆等其他设备所带来的电磁干扰同样不容忽视，所以对于整个系统的电磁兼容性研究是不可避免的。

（3）共模电流的传导发射研究

虽然共模电流带来的电磁干扰会远远大于差模电流，但是对于大功率、大电流的驱动系统来说，差模电流带来的电磁干扰同样不能忽视，所以非常有必要对差模电流进行研究。基于实验条件限制的原因，目前主要的研究还是集中在低频的传导发射研究，对于高频的辐射发射研究还相对较少。

（4）滤波器的设计

对于电磁干扰抑制方法的研究，目前大多数都集中在滤波器的设计上，尚缺乏更多有效的电磁干扰抑制措施。

关于牵引变流器电磁兼容问题的研究除了对上述几个重点问题进行深入研究之外，还可以对变流器对外电磁干扰仿真问题进行研究，仿真精度的提高可为变流器的电磁兼容设计与整改提供更为有效的参考数据，同时可使变流器的电磁兼容设计更为高效可靠。

5 结论

牵引变流器本身的电磁环境相当复杂,再加上系统在不同场合下会表现出不同的场源和边界条件,各种分布参数也会不尽相同,这给整个系统的电磁兼容性研究和测试带来很大的挑战。但前面的文献研究具有很好的参考价值,为后期的研究指明了方向,同样还有很多空白需要后期的研究去填补。