摘要：当今我国城市化进程飞快，轨道交通系统愈发变成解决城市车辆拥堵和公路资源紧张的一剂良药，其中轨道交通系统的电磁兼容问题是城市轨道列车安全可靠运营的重要保障。为此，本文提出了一套轨道列车电磁兼容系统布局方案，设计给出了轨道列车的电气设备布局和电气配线布局。下面是小编精心推荐的《压逆变器轨道管理论文 (精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！
城市轨道交通列车辅助供电系统分析
摘 要：现在城市交通备的发展情况深受市民的关心，近些年许多城市投入了大量的人力、物力来大力发展地铁、电车和轻轨等轨道交通工具，大大缓解了城市交通堵塞状况，轨道交通工具中的车辆供电是其中的一个重要的环节，在维持车辆正常工作中起到关键的作用，该文简要介绍城市轨道交通列车辅助供电系统要求和选型，简单分析城市轨道交通列车辅助供电系统。
关键词：供电系统 辅助逆变器 DC/DC變流器
近些年，我国经济发展速度增快，大量人群涌入城市，人们生活水平逐渐提高，私家车数量不断攀升，交通问题成为人们关注的话题。为缓解这种状况，出现地铁、电车和轻轨等轨道交通工具，深受市民群众的喜欢，也大大缓解了城市交通状况，但是由于轨道交通工具出现时间短，学者对此研究还较少，技术还有许多不成熟，在其供电环节经常出现问题，受到学者们的关注。城市轨道交通工具的辅助供电系统包括辅助逆变器和低压电源两部分，两者供电的设备不一样，辅助逆变器是为车上空调、压缩机等供电，低压电源是为列车控制系统、主机和应急系统供电，保证列车安全行驶，该文对这两种供电系统进行介绍，促使人们对此进行了解。
1 简述城市轨道交通列车的辅助供电系统要求
1.1 列车辅助供电系统简介
列车上的辅助供电系统能够将1 500 V的直流电压转变成380 V的交流电，为空压机、生活照明设施和升降温设施提供电流，并给蓄电池充电，为列车提供DC110 V、DC24 V电源。其供电原理主要是：首先打开电源，为电网提供1 500 V直流电压，再为车辆控制系统提供110 V的交流电压，确定其能正常工作，接着打开接触器，是其开始进行作业，接触器开始作业时电流经过变压器流入电网电容中，进行蓄电，直到辅助滤波器电容的电含量为电网电压的4/5以上，再接着系统中的辅助逆变器开始工作，电网电压中输出的电流不稳定，经过变压器处理以后输出稳定的电流，其电压为380 V，进入电网中的电流一部分为电流中负载提供交流电，一部分为为电路中直流负载提供110 V电压，并为蓄电池充电。主变压器也提供输出及输入电压间的电流隔离。列车辅助供电系统是列车供电系统的的一部分，主要是为空调、通风和主机部分供电，保证乘客数旅途舒适等。
1.2 列车辅助逆变器供电要求
经过调查，现如今城市轨道交通工具采用的是恒压恒频电流输出系统，供电系统中的逆变器也不同，根据用途使用合适的逆变器，辅助逆变器因为涉及的电器较多，其要求也较为特殊。列车在运行过程中要求其辅助逆变器全功率输出电流，并且因为其供电的设备多数是泵类设备，在开始供电的时候电流要大，才能带动设备运行，但是列车辅助逆变器在启动供电时的负荷不能超过额定功率的40%，并且被供电的设备不能同时启动，要求顺序启动，顺序要求精心安排。由于电网中的负载特性较高，辅助逆变器选择不当会出现网压突变等问题，因此辅助逆变器的短时过载能力以能达到其额定容量的倍数及时间来表示。
1.3 列车低压电源供电要求
列车电源之一的DC/DC变流器能够为系统中额定电压为110 V和24 V的负载供电，尤其是主机中的负载器件，并保持蓄电池在进行充电。城市轨道列车上要求每个列车单元有一台变流器，但是有一个变流器能为全车供电，这样是为了防止故障出现影响列车运行，并且列车上的蓄电池不需要工作。因此，为了保持列车的正常运行，变流器选择时要考虑到多种问题，使得电池的电流容量足够应付出发时间。列车上的蓄电池在电网供电中断等突发情况下被使用于供电，空调等通风设备的通风量降低为一半，这些设备的使用时间不应过长，例如在选择空调等设备运行时间是，要保证电量提供列车在隧道中运行45 min，或者在地面和高架桥上运行半小时。当列车中的同声设备风流动速度降低为原来一半时，则通风机的使用功率降低到原来的1/8。因此，应急通风用的逆变器的容量不大。
2 辅助逆变器电路选型
2.1 从逆变器电路原理选型
经过调查，现在城市轨道列车上使用的逆变器有两种，其作用原理分别是先经升降压稳定以后再进行逆变和直接进行逆变两种。第一种机器是为了保证其电源流出的电流电压波动幅度小，并防止机器本身损坏，延长其使用寿命，这种原件流出的电流经过电感电容滤波网络被滤波，接着输入到隔离变压器，整个电流输出的路线呈三角形，经过这样一系列的处理最后输出的电压为110 V和24 V。另外，列车的逆变器采用PWM调制，在启动和关闭时的频率要被严格要求，过大会使损坏开关，并使得逆变器的效率受到影响，过小时会使得输出的电压波形中谐波含量高，造成电压不稳定。直接逆变是最常用的一种逆变方式，设备工作原理简单，控制方式简便，但是容易受到电网电压的影响。
2.2 从逆变器的电路构造选型
列车上的逆变器有串联、并联和单逆变器型三种，串联和并联的机型为双逆变器，其开关频率偏小，造成的设备损伤也小，因此对滤波器的要求也相对较低，但是该种电路连接复杂，使用到的零件较多，故障发生频率增加。对于单逆变器，其电路线路连接简单，使用的零件少，在使用中操作简单，故障出现的可能性较低，变压器等设备损伤小，但是单逆变器开关使用频率高，消耗量大，效率低。
3 城市轨道列车辅助供电系统分析
地铁等列车上有分散供电和直接供电两种辅助供电方式，很多列车的单元车厢中配置有一台静止辅助逆变器和控制电源进行集中供电。早期的地铁使用的是分散供电方式，但是不能在出故障时及时供电，保证列车正常行驶。随着科学技术的发展，我国多各城市中的轨道列车使用集中供电方式进行供电，为乘客提供舒适的乘车环境。
4 结语
近年来，我国各大城市相继出现轨道交通列车，深受市民的欢迎，经过分析，列车使用的辅助电源为静止式辅助逆变电器，其性能可靠，资源利用率高，符合环保要求，该文对列车上的辅助供电系统进行简要的介绍，促使人们更多地了解轨道列车的辅助供电系统。
参考文献
[1] 石礼安.地铁一号线工程[M].上海：上海科技技术出版社，1998.
[2] 高爽.地铁车辆构造与维修管理[M].北京：中国铁道出版社，2003.
[3] 肖彦君，吴茂杉.城轨列车辅助供电系统的技术要求和电路选型[J].现代城市轨道交通，2004(4)：24-27.
[4] 李红，左鹏，刘伟志，等.地铁车辆辅助逆变电源分析研究[J].中国铁道科学，2004(1)：52-55.
[5] 周胜平，朱圣瑞.武汉城轨车辆辅助电源系统及其改进[J].电力机车与城轨车辆，2005(3)：58-60.
作者：孙南
城市轨道列车电磁兼容的系统布局设计实现及测试
摘要：当今我国城市化进程飞快，轨道交通系统愈发变成解决城市车辆拥堵和公路资源紧张的一剂良药，其中轨道交通系统的电磁兼容问题是城市轨道列车安全可靠运营的重要保障。为此，本文提出了一套轨道列车电磁兼容系统布局方案，设计给出了轨道列车的电气设备布局和电气配线布局。按照车体设备的分布将轨道列车分为车顶、车内和车底3个部分，并且进行了电磁兼容分区布局设计。最后，以上海地铁6号线作为测试车辆，按照所提布局方案进行了测试，结果表明，本文所设计的方案可以在复杂城市电磁环境下大大提高城市轨道列车的电磁兼容性能，达到了预期的设计目标。
关键词：轨道列车;电磁兼容;系统布局设计;电磁兼容分区设计;测试
Design and Test of Electromagnetic
Compatibility System Layout for Urban Railway Vehicles
Wang Lin
CRRC Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.JilinChangchun130113
Key words：railway vehicles;electromagnetic compatibility(EMC);system layout design;EMC partition design;test
1 緒论
地铁作为一种占地少、运输量大、环境污染小、安全舒适的出行方式，自1969年北京开通第一条地铁线路后，便如雨后春笋般出现在中国各大经济发展较快的城市[1]。而保障地铁在厂内设计符合标准、运行过程中安全无误，是研究轨道列车的首要任务。城市轨道列车自身设备间的电磁干扰与它对整个城市形成的电磁辐射干扰是影响轨道列车安全运行的重大因素。轨道列车中的电气电子系统，例如信号发射系统(包括轨道电路和其他列车探测系统)、列车通行控制系统和铁道旁控制系统等，它们大部分均采用大功率变频器、整流器和各种先进的信号控制网络，这使得轨道列车成为一个在城市中穿行的巨大电磁干扰源。因此，在轨道列车内部各设备之间、轨道列车与铁路基础设施之间、轨道列车与外部环境之间均会产生电磁干扰现象[2]。
文献[3]研究了高速动车组的关键技术，为高速动车组的电磁兼容设计提供了理论依据，对轨道列车的电磁兼容设计问题也有一定启发。文献[4]利用数据挖掘(Data Mining，简称DM)的方法对高速列车电磁发射测量数据进行了分析，能够预测设备电磁兼容数据，从而给出了抗电磁干扰所要考虑的重点设备对象。文献[5]通过Solidworks建模、仿真设计了一套基于高频结构仿真(High Frequency Structure Simulator，简称HFSS)的布线方案，为电气配线设计问题提供了思路。文献[6]研究了地铁站内电磁兼容问题，提出了一套强、弱电系统同址共建时确定最小间距的方法，合理规划了机电设备布局，与本文提出的轨道列车电磁兼容布局设计方案配合起来实现，可以更有效地提高轨道交通系统的电磁兼容性能。
轨道列车的电磁兼容性问题要从3个方面来分析，即干扰源、电磁干扰传播途径以及敏感设备。轨道交通车辆需要面对的电磁环境干扰源分为列车干扰源和轨道系统干扰源。首先，列车干扰源包括列车底部牵引系统中的牵引电机、高速断路器、主开关箱、交流调压变频(Variable Voltage and Variable Frequency，简称VVVF)、主逆变器、滤波电抗器等，以及辅助系统中的辅助逆变器、变压器、母线断路器等。其次，轨道系统干扰源包括接触网供电、信号系统的轨道设备等。轨道系统敏感类设备包括辅助系统、照明、空调系统、通信系统、乘客信息系统、列车控制系统、车门系统、车载信号系统。
一旦轨道车辆内部受到电磁干扰，轻则使车内视频系统出现花屏、抖动，或者影响车内乘客的手机等无线通信设备的通信质量，重则使信号指令发出错误提示，从而诱发安全事故。正是由于轨道列车的电磁兼容性会严重影响轨道列车的安全性和可靠性，全面可靠的轨道列车电磁兼容设计方案才显得尤为重要。
本文首先从整体出发提出一套轨道列车电磁兼容系统布局方案。其次，由于车体不同部位集中的设备不同，将列车分为车顶、车底、车内3个部分，并且分别进行电磁兼容分区布局设计。最后，从布局方案出发，设计了一套测试轨道列车电磁兼容性能是否符合标准的试验方案，并以上海地铁6号线作为测试车辆进行了实地运行测试。
2 轨道列车电磁兼容的系统总体布局设计
轨道列车电磁兼容总体布局方案由车辆整体设计结构、车辆运行环境、性能要求、维护检修等因素决定，这涉及多方面系统的协调、配合。在电磁兼容方案设计之前做一定的电磁评估非常必要，尤其要考虑电器配线的布置和线束的设计，这与车体、管线结构布置、内装结构、电器设备接口设计等密切相关。因此，在设计过程中，需要从多种角度综合考虑，确保轨道客车电磁兼容系统布局达到最优。
从构成结构上来看，轨道列车主要由两大部分组成，即发挥各种作用的设备与连接各设备间的线缆。因此，轨道列车内部的设备总体布局与电气配线总体布局是列车电磁兼容系统布局方案的基础，同时也是各子系统电磁兼容设计方案的原则。
2.1 电气设备的总体布局设计
电气设备总体布置应使整个系统集中、紧凑。具体布局方案为：
第一，充分考虑车型特点，将车顶、车内、车底区域进行模块化分区，把功能类似的设备组合在一起。例如，将主回路的主要设备、大型设备、噪声振动大的电气部件尽量布置于车下或隔离起来;对于功能性或舒适性的电气设备，如配电盘、水和卫生系统的布置多设于车辆的两端，便于检修维护及旅客的使用;乘客信息系统(PIS)、广播影视系统，以及常用的开关按钮等应安放在方便而明显的位置。
第二，重点设计走线路径。第一方面，应设置专用的线槽、线管及走线支架，除特殊设计结构要求外，在线缆通过区域尽量避免存在焊渣、铆接、螺钉等，否则会有伤线隐患。第二方面，根据布线及安装区域，在结构图纸中提出或标识配线的防护区域(工艺分析中制定相应的防护措施)。第三方面，在结构组装或部件图纸中，提出线缆通过的结构和配件表面需进行剔除材料的突起、棱角、拐角等圆滑作业的技术要求。走线路径的设计都是为了避免各设备之间线缆连接出现杂乱无章，或者出现裸线外露的情况，这些情况为不必要的电磁干扰提供了存在条件，所以设计时必须严格按照方案执行。
第三，电气接线连接方式的设计。在规划和解决电气设备之间、电气分线箱之间以及电气分线箱与被控制装置之间的连线方式时，还应充分考虑3个原则：
(1)采用接线端子连接时，按电流大小及进出线数选用不同规格的接线端子，尽量规范控制和减少接线端子的型号;
(2)电气柜(箱)和控制箱之间以及它们与被控制设备之间，采用接线端子排或工业连接器连接，便于车辆组装完成后线路的校对和耐压试验;
(3)对于接线端子和连接器的选型，在满足设计各项技术性能的前提下，应考虑各项目车型配件的互换性。
2.2 电气配线的总体布局设计
轨道列车中不同电压等级的电缆产生的电场效应会成为整个系统电磁干扰的干扰源。为了抑制电磁干扰，提高列车整体布线的稳定性，电气配线设计方案应该遵循自顶向下、模块设计的原则，即按照功能分隔首先进行布线设计，将各个设备的布线接口设计完成之后，各设备再按其原则进行布局设计。具体布局设计原则如下：
(1)行车安全设备线、控制用导线以及电台线采用预布线形式，车下预布线完成后吊裝上车即可。导线位于车体两侧顶上的布线槽内，布线槽使用铝质并用编织线连接各布线槽，布线槽应就近多点接地。
(2)牵引电机作为轨道列车电气设备中最重要的一个，其线缆的电磁兼容设计非常重要[7]。牵引电机线和辅助电路导线也采用预布线形式，导线位于中间走廊地板下方。辅助电路导线应尽量远离牵引电机线，并且采用金属保护对其进行电磁屏蔽防护。
(3)各设备的金属外壳必须通过编织线就近接地，接地线要涂抹电接触油脂以保证接地良好性。
(4)灯线布置于顶盖下方，必须与控制线分开布置。
(5)进入司机室的控制线同样走预布线形式，从车体左侧顶进入司机室;进入司机室的辅助电路线从中间走廊地板下方进入司机室。
上述方案将轨道列车的主要线缆进行了科学合理布置、安排，同时，导线自身的电磁防护措施必不可少。接下来本文将从轨道列车电磁耦合的主要方式入手，设计抑制导线间电磁干扰的方案。
轨道列车中电磁耦合的方式主要为非传导耦合，即电场耦合、磁场耦合、电场磁场混合耦合。根据3种耦合方式的特点，分别设计如下抑制方法：
(1)抑制电场耦合方法：降低导线间的分布电容(可通过加大导线间距离、缩短导线长度或增加接地平面来实现);对导线使用屏蔽层。
(2)抑制磁场耦合方法：减小回路间的互感(使导线尽可能接近地平面和使磁场方向互相垂直);对导线使用屏蔽层。
(3)抑制混合耦合方法：加屏蔽层;接地。
3 轨道列车电磁兼容的分区布局设计
为了确保轨道车辆布局设计能够达到电磁兼容要求，必须从电磁兼容的三要素为出发点。首先，有必要控制干扰源的发射;其次，从电磁干扰传播途径的角度来说，应该在耦合环节增加耦合阻抗;最后，应采取措施来提高敏感设备的抗干扰能力。
完成这3个环节中任何一个都可以使电磁兼容问题中“电磁干扰源——耦合路径——敏感部件”这一闭合回路中断，而在此之前将轨道列车进行分区是重中之重。原因在于，轨道车辆有限的空间内不但集中了高压、高频、大功率的干扰源设备，而且分布有许多高灵敏度且易受干扰的敏感设备，各种设备都有可能成为彼此的干扰源或敏感设备，对轨道列车进行分区可以减少大部分电磁干扰。
基于此，本文将轨道车辆分为3个部分：主要集中受电弓接触网高压供电干扰源的车顶;主要集中通信系统与乘客信息、列车控制系统、车门系统、车载信号系统设备主机等敏感设备的车内;主要集中牵引电机、高速断路器、主开关箱等系统干扰源的车底。下面将从这3个部分分别进行设计。
3.1 车顶布局设计
轨道列车车顶集中了一些高压设备，这些设备在满足列车电气性能的基础上，需要在电磁屏蔽性能以及绝缘性能上留有一定的裕度[8]，以防这些大型设备暴露在车顶上受到风、沙、雨、雪等恶劣自然条件的侵蚀。车顶设备布局方案如图1所示。
(1)受电弓：是轨道列车从接触网获取电能的器件，安装于列车车顶。受电弓升弓时，压缩空气，受电弓的滑板与接触网接触，从而将25kV单相交流电从接触网引入列车;受电弓降弓时，排出压缩空气，使受电弓落下[9]。在电磁兼容设计时，主要考虑受电弓作为电源输入端的电磁防护与弓网电弧引起的过电压，需要布置在靠近车头的位置。
(2)避雷器：用来保护列车上的电气系统，防止闪电过压、操作过压通过接触线进入列车而对列车造成损坏。布置在各个受电弓后侧较近的位置。
(3)主断路器：作为轨道列车电力的总开关和总保护，当列车发生严重故障时可以迅速切断列车的总电源从而保护列车。主断路器由高低压部分的结合，需要采取适当的电磁屏蔽措施，并且安排在接近受电弓的位置。
(4)高压电压互感器：检测接触网电压之后，将电压信号提供给列车的网络控制系统，以便相应系统进行控制与保护。此部件应该布置在受电弓与主断路器之间，通常为最靠近受电弓的装置。
(5)高压电流互感器：同高压电压互感器作用类似，唯一不同之处是它所传输的信号为电流信号。
(6)接地开关：在检修维护是保证列车安全接地，安装在主断路器旁，与其配合使用。
(7)高压隔离开关：当两节轨道车相连时，用于自动连接两节列车车顶的高压侧电路，一般安装在列车尾部车顶。
3.2 车底布局设计
轨道列车车底电磁兼容布局应遵循配线与电气设备紧密结合，电路、重量平衡计算与车辆界限合理结合的原则，在可控的范围内尽最大努力减小设备和线缆的电磁辐射是电磁兼容设计所要追求的目标。具体设计过程中，首先，合理使用电线槽进行布线，不仅节约有限的车底空间、减少电线管路数量，而且可以方便电磁兼容的规范化设计和电磁辐射计算。同时，从整体角度出发，将各电气设备与线缆高效有机结合起来，从而提高电磁兼容性能。此外，为了保障轨道列车安全性和可靠性，在设计布局时，安全、防火、检修、耐寒等因素也要充分考虑。
3.2.1 车底设备布局设计
轨道列车车底成为干扰源的大型设备比较多，所以车底设备配置得当不仅可以满足电磁兼容要求，同时也使轨道车辆整体布局合理。车底设备布局的设计原则是：
(1)总重量以及外形较大的设备首先要满足重量平衡需求，其次按照电气原理和电磁兼容标准以及接线顺序依次布置。
(2)对于需要通风冷却的设备，例如，制动电阻、电机、逆变器等，必须为其保证充足的空间，以免让其他设备阻挡其通风通道[10]，同时避免产生意外的电磁干扰。
(3)具有向外喷弧功能的设备，例如母线高速断路器，为防止其对其他设备产生电磁干扰，应将喷弧方向面对车辆外侧。
(4)发热设备要遵循远离热敏感设备，邻近受热不敏感设备的原则，在必要时需要加隔热装置，避免热量传到客室中，也避免热量使其上方的电线电缆加速老化，甚至出现裸露线缆，从而产生意外的电磁干扰。
基于这些原则，车底主要设备布局设计如图2所示。
具體设计思路是：主逆变器安置在车底最中间的位置，以便为各牵引机提供高压。辅助逆变器安排在车头与车尾部分，通过高压隔离开关为辅助系统供电，它的位置主要由高压隔离开关的作用与位置决定。牵引风机和压缩机均属于列车上的辅助电机，压缩机为机车提供风源，牵引风机对整流装置、平波电抗器和牵引电机强迫冷却，需要在车底多处布置，以降低车底电子设备因温度过高而损坏的风险。冷却塔作为空调系统中冷却降温、排气的设备，需要避免处于高温环境中，因此，将冷却塔布置在牵引风机周围。这些设备按照其功能与电磁兼容性分布在车底不同位置，同时辅以不同的电磁屏蔽方式来提高轨道列车电磁兼容性能。
3.2.2 车底电缆布局设计
轨道列车车底配线载体主要分为电线槽、电线管以及分线箱3类。
电线槽的布局设计方案如下：
(1)目前电线槽的材质分为铝质和钢质。两种电线槽各有优缺点，对于铝质电线槽来说，它的平直度较好，但不易成弯曲形状，一般使用在车底有较大空间的情况下;钢质电线槽相比于铝质的更容易成弯曲形状，一般与车底电气设备共用一个空间，而且还需要对其他电气设备进行适当躲避的情况下使用。在电磁兼容性方面，铝质电线槽磁场屏蔽效果更好，因此，本文电线槽选择铝质电线槽。
(2)如果电线槽内部铺设的电线电缆存在不同电压等级夹杂、直流交流夹杂的情况，对电线槽内部分区是必然的。为了保证各子系统间的稳定工作，需将不同性质的电缆隔离。
(3)在预留设备的检修空间等这些特殊情况下，在保证基本截面的基础上对电线槽截面进行变形处理。
电线管的布局设计方案如下：
(1)与电线槽类似，电线管的材质一般分为钢质和铝质两种。大多数轨道列车采用内覆塑的铝管，以减轻车身重量，减少电线管变形、增强屏蔽效果。
(2)电线管需要接近与电线管所铺设的电线电缆有关的设备，并且按照各设备之间连接与否的原则进行选择电线管的相对位置，从而更好地完成外部接口的连接，避免因连接不当而造成的电磁干扰。
(3)电线管的分布在整体上与制动管路之间有明显的区域划分，保证两者之间最低的线路耦合程度;在两者的共用区域内要严格保证彼此不发生干涉。
分线箱的布局设计方案如下：
(1)与电线管类似，分线箱也分为钢质和铝质两种，轨道列车中一般选择铝质分线箱，因为铝质分线箱可以更好地减弱电线电缆对系统的电磁干扰。
(2)分线箱的尺寸根据实际情况来定，主要考虑因素为通过分线箱的电线电缆数量、分线箱与其他设备外部接口的高度差距、设置分线箱处的空间大小、分线箱是否与周围电气设备产生干涉以及分线箱盖的检修空间等。
(3)从外形上来看，根据实际情况的变化，分线箱可以在标准长方体的基础上进行局部加宽、局部变窄、局部直边变弯边等。
3.2.3 车底接口布局设计
轨道列车系统集成了牵引、制动、辅助供电等多个电气系统，这些系统都需要在车底安装支持其功能的设备，车底各个系统设备之间存在相互影响、复杂的电磁干扰，明确轨道列车车底接口布局设计对提高轨道列车电磁兼容性能十分重要。对于轨道列车车底的接口布局方案如下：
(1)基于不同实际情况，车下电气设备的外部接口可以选用裸线式、接头式、夹板式、连接式中的某一种。
(2)各设备的保护接地是重中之重。车下的电气设备和电线槽、电线管及分线箱采用金属外壳时，都要进行保护接地处理;汇流箱、配电盘、低压回路分线箱等电气设备都需考虑接地保护。
(3)设备与线路的隔离同样可以减小电磁干扰。对于距离较近的设备或线路，需要考虑它们之间的信号耦合或信号干扰，必要时对其使用隔离器;对于噪声较大的设备，使用噪声隔离器减小噪声干扰;对于高压回路，需保证线路间的绝缘性和安全距离。
(4)考虑接口的防火保护和耐热耐寒防护，以避免接口和相关设备在极端气候或不当操作下出现老化和损坏，进而对其电磁兼容性能造成影响。
3.3 车内布局设计
在轨道列车系统中，绝大部分控制元器件都集中安装在电气柜里，电气柜俨然成为轨道列车的控制枢纽。因此，轨道车辆车内电磁兼容系统布局主要体现在车辆电气柜的布置，对其进行合理的电磁兼容分析、找到切实可行的电磁兼容措施、方法对保证各系统安全稳定工作具有重大意义。
电气柜中安装了各系统主机及其控制单元，主要包括广播主机、PIS播放主机、网络系统主机、烟火报警主机和监控主机，如图3所示。只有根据它们的工作原理、工作频率做出合理的屏蔽层设计和接地处理设计，才能满足轨道列车电磁兼容标准。而在此之前，了解线缆的屏蔽、接地设计理论对轨道列车电磁兼容设计至关重要。
线缆的屏蔽就是在线缆外围包裹一层屏蔽金属网，其中有一小部分的电磁能通过金属屏蔽体内部涡流损耗转化成热能，而绝大部分电磁能通过屏蔽体的接地点将其感生电流引入大地。因此，线缆的屏蔽必须与接地配合才能起到屏蔽的作用。
根據信号频率的不同，屏蔽层接地的方式也有所不同，对于高频率信号必须双端接地才能对电场产生屏蔽，而对于低频率信号只需单端接地便可达到目的。信号频率处于低频范围(即f<1MHz)时，线缆两端全部接地将会形成地环流，并且在屏蔽层形成磁场，线缆之间会产生噪声干扰;当信号为高频(f>1MHz)信号时，屏蔽电缆的阻抗无法忽略，如果只有单端接地，那么噪声电流容易在屏蔽层上产生压降使各点电位不同，从而影响屏蔽效果。
下面分别介绍各主机的电磁兼容设计。
3.3.1 广播主机
广播主机作为轨道列车内部传递语音信号的重要设备，它在读取报站信息或列车运行状态信息之后通过广播总站输出报站。
广播主机利用本地操作网络(Local Operating Network，简称LON)数据总线和广播音频总线与其他主设备连接，通过RS485数据总线和音频总线连接与系统内部辅助设备连接，通过多功能车辆总线(Multifunction Vehicle Bus，简称MVB)、RS485、RS232、标准音频等总线与系统外部设备连接。广播主机内部、外部音频总线与数据总线均采用屏蔽绞线以抵抗电磁干扰。广播主机数据总线传输形式为差分信号传输，因此，数据总线必须双端接地;音频总线传输形式为模拟电平传输，可根据设备安装现场情况考虑单端接地。
3.3.2 PIS播放主机
PIS播放主机主要用来为乘客提供一些乘车信息、列车电视广告以及紧急事故信息，它通过VGA接口、RJ45接口、RS232接口、RS485接口、标准音频接口、航空插头等接口与外部设备相连，进而实现通信显示功能。PIS播放主机的内、外部线缆均采用屏蔽绞线，且均为单股多芯线;PIS播放系统内部数据为数字信号传输，所以各设备机箱采用单端接地。
3.3.3 网络系统主机
网络系统主机包括中央控制单元(CCU)、远程输入输出单元(RIOM)、485/MVB网关、数据记录仪(ERM)4个主要模块，其功能及线缆电磁兼容设计如下：
(1)CCU是列车网络监控系统的总线管理主机，起总线管理、过程数据收发、消息数据收发和总线状态监视的作用。更重要的是，CCU负责整个轨道列车的系统控制以及监控和保护，完成一系列控制逻辑和故障诊断的工作。其外部电源线缆采用单股多芯线。
(2)RIOM首先采集列车中的数字信号和模拟信号，然后将采集到的信号传输到MVB网络上。其外部电源线采用单股多芯线。
(3)485/MVB连接MVB设备与RS485设备，并且接收它们的数据，经过网关处理后再发送给MVB设备和RS485设备。经过这样的步骤完成了MVB设备与RS485设备之间的数据交互。其中外部RS485总线线缆采用屏蔽三芯线，外部电源线缆采用单股多芯线。
(4)ERM通过MVB总线获得列车上各种设备的状态信息并将其记录下来。ERM外部电源线缆采用单股多芯线。
其中，MVB总线、RS485总线和控制局域网络(Controller Area Network，简称CAN)总线传输的均为差分信号，因此这3类线缆必须双端接地。
3.3.4 烟火报警主机
烟火报警主机将探测器中感知到的烟雾传感信号放大、滤波和去干扰处理后进行烟火报警，并通过CAN总线或RS485总线传输报警数据。烟火报警器采用低通滤波器、浪涌抑制器件、电瞬变抑制器件、辐射电磁场及传导骚扰抑制器件将很多干扰信号抑制于设备之外，同时采用滤波电容和光电隔离技术减小外部干扰和机间干扰。
3.3.5 监控主机
监控主机显示和存储列车司机室、客室摄像机采集的视频数据，同时会响应监控中心的指令，将实时监控录像上传到监控中心。监控主机内、外部线缆均采用屏蔽绞线、单股多芯线。其数据传输形式为数字信号，因此，各设备机箱采用单端接地。
4 电磁兼容测试方案及测试结果
本文选择上海地铁6号线进行测试，由此判断所提电磁兼容系统布局方案的有效性和可靠性。
4.1 车辆内部抗干扰试验
车辆内部抗干扰实验是为了检验轨道列车内部的电子设备以及系统间的电磁兼容性，更加明确列车内部各个子系统间的电磁兼容性能，设置了3个项目分别测试，相关试验和测试结果如表1所示。
由测验结果可知，轨道列车内部各电子设备之间的干扰度均在标准范围之内，并没有引起电子设备之间的电磁干扰而影响整个车辆的安全运行。
4.2 车体磁场强度试验
车体磁场强度试验主要是测试出厂的列车车体磁场强度分布情况及磁场发射强度是否满足相关标准和业主方合同的要求。
测试方法：如图4所示，车体磁场强度试验中，受电弓与车底高压设备箱之间有高压线缆，在线缆里通大小为200A、频率为50Hz的额定工作电流;首先，在高压线缆的不同位置测试其产生的磁场强度，4个测试点分别在特高压线缆车顶板下方位置、侧墙特压线缆防磁板最上方、防磁板中心位置以及车下特高压线缆处;其次，在受电弓下部车厢内布置5个测试点，分别测试距离测点30cm、90cm、150cm处的电磁感应强度最大值。
最大制动力减速1)观察列车电子控制电路制动控制单元(BCU)、牵引/辅助/蓄电池单元，、门控单元(DCU)、暖通系统(HVAC)、PIS、列车中CCU;
2)从事件记录器中读取信息。各电子控制电路按照其相应规范运行，在故障诊断电路的事件记录器里无重要报错。
最大制动力减速1)观察主逆变器电子控制电路、辅助逆变器电子控制电路;
2)从事件记录器中读取信息。各牵引逆变器和辅助逆变器按照相应规范运行，在事件记录器里无重要报错。
最大制动力减速1)开启、关闭主辅电路里的开关、继电器和接触器;
2)从事件记录器中读取数据信息。在事件记录器里无重要报错。
测试结果如表2所示。从表中可以看出，距离测点30cm处的磁感应强度均超过100μT(1GS=100μT)，距离干扰源越远，其电磁感应强度越小。因此，如果乘客长时间暴露在距干扰源30cm处，可能导致身体不适;同时，会对乘客携带的电子设备产生强烈干扰。而在设有防磁板的位置，其磁场强度比不设防磁板的测试点减小了40%左右，因此，防磁板具有一定的隔磁效果。综上所述，在受电弓正下方车顶板需加设厚度不同的不锈钢防磁板，并且在受电弓正下方不得设客座。除此之外，其余测试点处的磁感应强度全部达到轨道列车的磁场强度标准。
4.3 抗扰度测试
4.3.1 传导抗扰度試验
试验目的：测试轨道列车与轨道旁基础设施的电磁兼容性能，从定量的角度来说，列车运行过程中，其在特定频点处产生的谐波电流是否超过了限值。
测试车辆状态：开启所有可能影响干扰电流的车载设备，包括但不限于辅助交流器模块(ACM)、蓄电池充电器(BC)、空调机组(ACU)、列车及车厢内照明设备。
车辆运行工况：持续高速、间歇高速、模拟运营。
试验设备：电流探头、数据采集卡、采集信号计算机。
4.3.2 辐射抗扰度试验
试验目的：经过整车电磁辐射发射测试检验列车辐射发射是否满足兼容性要求。
测试车辆状态：
(1)静止状态：牵引电路上电、但不工作，辅助变流器保持工作状态，车辆上所有能够产生辐射发射的电气系统均开启。
(2)慢行状态：车辆电气系统工作状态与静止状态完全相同，经过天线时以1/3最大牵引力加速或减速。
试验环境：
(1)为了将天气状况对测量值的影响降到最低，测试时的天气状况应该为：温度不低于5℃，风速不超过10m/s，湿度保持在不在供电电源上产生凝结。
(2)环境噪声：如图5所示，测试点附近10m范围内避免有树木、围墙、桥梁或者隧道等，同时附近不应该有变电站、变压器等。在同一供电段20m之内不能行驶其他轨道列车。
4.3.3 抗扰度试验测试结果
根据测试方案进行试验之后，轨道列车传导抗扰度和辐射抗扰度均在参考值范围之内，具体见表3。换言之，本文所设计的轨道列车电磁兼容系统布局方案完全满足了电磁兼容要求。
5 结论
本文设计了一套轨道列车电磁兼容的系统布局方案，并在上海地铁6号线上进行了测试，测试结果表明，所设计的系统布局方案完全符合轨道列车的电磁兼容要求。首先，从整体出发设计了整车的设备布局方案，以及电气设备和配线布局方案;其次，按照设备集中情况的差异，将轨道列车分区为3个部分，在车顶、车内、车底分别设计了区域电磁兼容布局方案。所提方案可以在轨道列车运营之前最大程度降低电磁干扰的风险，为城市轨道列车运行的安全性和可靠性提供了有利的保障。
参考文献：
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[10]吴冬华.广州地铁四号线直线电机地铁车辆电磁兼容研究[D].中南大学，2009.
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFB1200100);轨道车辆电磁兼容仿真数据库开发项目(BUAAZCCCFZDD20191)
作者简介：王琳(1985—)，女，吉林四平人，毕业于华东交通大学，主修电子信息工程专业，辅修轨道信号专业，现为中车长春轨道客车股份有限公司电磁兼容工程师，研究方向为车辆电磁兼容，现主要负责美国波士顿、洛杉矶地铁项目、香港沙中线项目等多个海内外项目车辆电磁兼容投标、设计及试验工作。
作者：王琳
地铁车辆变频控制系统设计
摘要：本文设计了一套城市轨道交通牵引驱动与控制实验系统，给出了系统的硬件电路，详细分析了试验系统的组成、工作原理与实现的功能，通过该系统可以设计和验证各种控制算法，为人们研究开发轨道交通控制系统提供了实验平台，具有重要的理论意义和实用价值。
关键词：轨道交通;牵引驱动;控制算法
轨道交通车辆牵引与控制系统是一个融合了先进控制、变频驱动、通讯、机械振动、降噪、降温冷却等多学科的知识和技术，由于其频繁启动，对设备的稳定性、安全性要求很高。本文设计了一套城市轨道交通牵引驱动与控制试验系统，给出了系统的硬件电路，详细分析了试验系统的组成、工作原理与实现的功能，通过该系统可以设计和验证各种控制算法，为人们研究开发轨道交通控制系统提供了实验平台，具有重要的理论意义和实用价值。
一、设计总体方案
1.配电设备方案。配电设备利用学校现有的三相380V AC 50Hz电网，通过总电源屏进行独立的用电管理。总电源屏除了具有电压、电流等电参量的检测功能外，集成了过流、缺相等保护功能，从而保证试验系统不会对学校其余的用电单元产生影响。功率因数补偿屏则是为了提高整个试验系统的功率因数而设计的，同时可以起到减小谐波干扰的作用。
2.模拟电网。即由感应调压器TM1、十二脉波整流变压器TM2和十二脉波整流器U1组成了模拟电网。TM2有两组独立的、相位相差30°的次边绕组，U1则是两个三相全桥六脉波整流器串联组成。通过使用十二脉波整流电源，同时在高压电器箱中设计匹配的平波电抗器，可以大大提高模拟电网的电源品质。为了满足模拟电网DC1000V~DC1800V的变化需求，增加了三相感应调压器，通过调节调压器的输出电压来改变直流十二脉波整流电源的直流输出电压。感应调压器的最低输出电压接近0V，从而能够利用调压器进行异步电动机的空载特性试验，也能利用感应调压器完成异步电动机作为发电机状态运行的试验。
3.高压电器箱。高压电器屏作为逆变器的前端输入级，集成了高速断路器、线路滤波器、接触器、过压保护等。高速断路器具有双向过流保护功能，可由DCU控制系统控制断开，高速断路器的状态可在控制PC机的显示器上显示。接触器分为线路接触器和预充电接触器，两接触器的吸合与断开完全由DCU控制系统控制，接触器的动作参数与状态受DCU控制系统的监控。线路滤波器主要起到滤波和限制瞬态过流的作用，减小对供电系统的干扰。线路滤波器采用自然走行风冷。
4.逆变器。采用VVVF牵引逆变器，主要由三相逆变器和驱动控制单元(DCU)组成。三相逆变器的功率元件采用IGBT，采用模块化设计，采取热管散热技术，保证牵引逆变器在规定的条件下正常工作。DCU采用32位的多个微处理机控制，采用模块化设计和PWM控制技术。DCU通过列车通信网与司机控制台及控制PC机进行通信。容量能满足牵引特性和制动特性试验的要求。有良好的电磁兼容性，不会对通讯、信号、供电等系统产生干扰。逆变器的保护功能有：输入电流过流;制动斩波器过流;输入电压过压和欠压;主电路差动电流;输出相电流过流;缺相或3相不平衡;功率元件过热。
5.异步牵引电动机。异步牵引电动机采用已经应用于上海地铁A型车的JD118A型异步牵引电动机。
6.转矩转速传感器。转矩转速传感器采用具有LonWorks网络通讯功能的JCZ2型智能转矩转速传感器。
7.速度同步装置。速度同步装置主要是通过机械和电的耦合来准确地模拟机车的运行速度，同时为驱动线路模拟信号装置的运转。
8.负载系统及其调节方式。依照IEC61377-1推荐的典型电路原理，采用了背靠背的试验原理，由一套相同的逆变器和异步牵引电动机组成。整个系统的有效运行则是通过特殊的试验控制系统程序对U2、U3进行精确、快速的控制来实现的。在牵引工况下负载异步牵引电动机做发电机运行，在制动工况下负载异步牵引电动机做电动机运行。同时为了与实际情况尽可能一致，每个逆变器都配备了斩波电阻和制动电阻，模拟电网不能进行能量反馈时的工作状态。①斩波电阻。能承受制动斩波模块故障所引起的过流或短路;能消耗的能量要能满足制动特性试验的要求，所有电制动能量都消耗在制动电阻上;采用强迫风冷，进风口应设网罩，以防止杂物吸入，网罩应便于拆卸与清洗;系统应对斩波电阻的电流进行监控和保护;电阻元件及支撑元件应安装牢固、稳定、有良好的耐热性，有足够的电气间隙和爬电距离。②负载电阻。负载电阻由几个不同电阻值的功率电阻组成，它们可以通过电控开关的切换获得不同的组合，提供不同的负载特性。③网络控制方案。设置了一个标准化的司机控制、显示平台(分试验控制室显示平台和试验参数展示平台)，司机控制台与逆变器之间采用MVB网络进行通讯，从系统调节的给定方式、显示等模拟实际运行状况，同时司机控制台具备与逆变器之间通过硬连线进行通讯的功能，从而可以对运行方向、牵引、制动、惰行、快速制动、紧急制动等工况进行模拟试验。试验系统的开关控制、连锁(逻辑控制)采用分布式PLC控制，PLC之间、PLC与上位机之间的通讯采用PROFIBUS现场总线。对转矩转速传感器的数据的读取则是通过LonWorks网络实现，提高了通讯速率和可靠性。控制PC机与PXI数据采集系统之间通过LAN网进行连接，可以保证PXI与信号调理单元与被测对象就近布置，从而减小线路干扰，提高系统的可靠性。④数据采集系统。对于变流器、异步电动机的电压、电流等高速信号的测量将同时采用基于PXI的虚拟测试仪器，对这些关键参数进行读数和谐波分析，增加了测试系统的灵活性，同时该PXI测试系统的硬件资源还可以与其他试验系统共享。⑤技术参数。模拟电网的额定输出电压：DC1500V;输出电压范围：DC1000V~DC1800V;额定输出功率：620kW。⑥系统性能指标。控制系统：逆变器输出的电压、电流或这转矩的精度小于1%。测试系统：试验系统中非常重要的一环，总体要求为：对于交直流电流、电压的测量小于±1%，转速测量小于±0.1%或±1r/min，转矩测量小于±2%。
二、实验内容
1.信号检测与通讯试验。试验系统一方面对实际线路的一些状态信号进行了模拟和采集，另一方面该试验系统的测试和控制涵盖了电压、电流、温度、DI、DO等信号的转换、信号调理和测量、分析，同时具有LANPROFIBUS、LonWorks等多种网络通讯协议，为教学提供了一个非常好的实例。借助基于PXI的虚拟仪器数据采集系统，学生可以自行开发信号测试与分析处理程序，进行实践，必将大大促进学生理论与实践相结合的能力。
2.牵引变流器及电子控制装置的试验。试验系统允许教师可以按照IEC61287-1：2005对牵引变流器进行试验研究，试验项目为表1所示。
3.逆变器供电的电动机及其控制系统组合试验。利用地面试验系统教师能完成IEC61377-1：2006、TB/T3117规定的变流器供电时电动机及其控制系统综合试验的试验研究工作，用以验证一种新的电传动组合系统的定额、特性和性能，为优化系统参数设计提供可靠的试验数据。开展的试验项目为表2所示。
该实验系统可以完成信号检测与通讯试验、牵引变流器及电子控制装置的试验、逆变器供电的电动机及其控制系统组合试验，对地铁牵引驱动控制策略开展研究提供了基础保障。
参考文献：
[1]宋奇吼，李学武.城市轨道交通供电[M].中国铁道出版社，2011.
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基金项目：上海市教委科研创新重点项目(12ZZ197);上海人才发展资金资助项目(2009027);上海市区科委创新项目(2010MH035)(2010MH054);上海市教育委员会重点学科资助(J51901)
作者简介：刘三明(1962-)，女，教授，博士，主要从事多目标优化和智能控制与故障诊断方面的研究。
作者：刘三明
