基于轨道交通设备的电磁兼容实验室方案设计

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轨道交通的迅速发展,从时速110公里的火车到今天时速250公里的动车以及时速350公里以上的高铁,除了速度的不断提升,内部车载设备的驱动模式、控制总线、信号传输系统、监控系统等等,都在不断更新和升级。电子电气设备的广泛应用使得系统的响应速度得到巨大的提高,系统功能越来越多,为高速列车的控制提供了操作便利性,更为乘客提供了更加舒适的乘坐体验。同时各种高速信号的使用和机车车载设备的增多,使高速列车车厢内部的电场及磁场的强度及分布更加复杂多变。电磁兼容符合性(Electromagnetic Compatibility,EMC)的评估也就成为机车设备检验验收过程中的一个重要的环节。目前轨道交通设备的检测规范大多参考的是通用类电子产品EMC标准中的测试项目及测试环境,但机车车厢内的电子电气设备密集,电磁环境相对于通用类电子产品的工作环境还是有很大的不同,例如各种线缆的走线布置不同引起的线路阻抗的差异、设备的供电系统引入的磁场的差异、车厢作为导体对箱体内电磁场分布带来的影响。通用类标准中测试环境、电磁场发射及抗扰度的测试方法、传导抗扰度的测试方法、低频磁场的测试方法等并不能完全覆盖以上差异,从而不能准确评估机车内设备的发射及抗扰度性能。本论文在国际电工委员会、欧盟及国内标准对轨道交通设备的电磁兼容性要求的基础上,结合汽车车载设备的EMC测试准则,对轨道交通设备的EMC实验室建设提出了一整套兼容度更高、覆盖面更全的设计方案。论文中对EMC测试中最重要的测试环境-电波暗室(Anechoic Chamber)的性能进行了介绍。应用TDK的复合型吸波材料(铁氧体及吸波尖劈),设计了一个适用于轨道交通设备测试用的3m法、5m法及CISPR25测试法兼容的电波暗室,并提供NSA(Normal Site Attenuation)的仿真结果及NSA和SVSWR(Site Voltage Stand Wave Ratio)的实际性能测试结果,测试结果证明实验室在性能上优于国内外的EMC基础标准对电波暗室性能指标的要求,可以提供准确的测试结果。通过对轨道交通设备的周围环境、供电系统的研究,分析列车车厢内可能存在的多种干扰形式,并结合欧盟最新轨道交通设备标准的要求,对测试方法及测试系统进行升级改造。在兼容型电波暗室的基础上设计了一整套的辐射发射和辐射抗扰度测试系统,在该系统中综合1m法测试场强和3m法测试场强的要求进行功率放大器的选型,设计了一套天线组合,覆盖了3m法和1m法的测试要求,该测试系统结合测试环境(电波暗室)成为一整套兼容通用类电子产品及汽车电子类产品测试的综合型射频类测试方案。考虑轨道交通设备工作的电磁环境的特殊性,设计了一套兼容传导抗扰度(Conduct susceptibility,CS)及大电流注入(Big Current Inject,BCI)的测试系统,考察被测设备在两种不同的分布阻抗的环境下的抗干扰性能,该测试系统用于验证机车设备对通过长线耦合引入的干扰信号的抗干扰能力。在工频磁场抗扰度测试的基础上,扩展干扰信号频率范围,设计了一套低频磁场抗扰度的测试系统,模拟机车供电系统引入的宽频带磁场干扰。对于抗扰度测试系统,基于测试等级要求进行设备规格选型,并计算了为达到预期的设计等级需求的设备参数。本设计方案适用于高速铁路和轨道交通设备的生产厂家在产品研发阶段的预测试,兼容的设计方案不仅提高了设备的利用率也降低了整体实验室建设的成本。设计方案对机车的电磁兼容性评估提出了更加全面的解决方案,帮助生产厂家在产品设计阶段通过测试来评估产品的抗干扰性能及降低产品的辐射水平,并对产品进行不断改进。应用于高速铁路系统中的设备的干扰的降低及抗干扰性能的不断提高将促进高速铁路更加稳定和安全的运行。
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