高铁牵引系统有级调控抑制频带EMI滤波器及设计方法与流程

本发明属于轨道交通电磁滤波技术领域，涉及一种高铁牵引系统有级调控抑制频带emi滤波器，本发明还涉及该种高铁牵引系统有级调控抑制频带emi滤波器设计方法。

背景技术：

随着动车组速度的不断提升，其牵引传动系统中的牵引变流器也呈现出大功率高密度化发展，产生的传导电磁干扰频谱就会越来越丰富且变化范围更宽，而emi滤波器是抑制开关功率变化器中传导型电磁干扰的有效手段。对于动车组的牵引变流器，它会随着动车组运行环境和地域的变化，其电磁干扰发射频带和幅值会发生变化，但是，目前传统的模拟emi滤波器因为参数固定不可调节，不具备调控能力，对这种变化束手无策。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高铁牵引系统有级调控抑制频带emi滤波器。

本发明的另一目的是提供该种高铁牵引系统有级调控抑制频带emi滤波器设计方法，解决了现有技术中的模拟emi滤波，因高铁牵引系统工作环境和地点改变，导致emi频带发生变化而失效的问题。

本发明采用的技术方案是，一种高铁牵引系统有级调控抑制频带emi滤波器，包括接入设备的三条输入线，三条输入线分别为l线、n线及pe线，l线上设置有差模电感一，n线上设置有差模电感二，l线和n线之间连接有共模扼流圈，差模电感一和差模电感二以及共模扼流圈的电感值保持不变；共模扼流圈的上输出端和下输出端共同与pe线之间接入n组共模电容组，每个共模电容组中包括两个共模电容和一个开关；共模扼流圈的上输出端和下输出端接入n组差模电容组，每个差模电容组中包括一个差模电容和一个开关，

每个共模电容组与一个差模电容组称为一个开关电容组，根据需要设置有n个开关电容组。

本发明采用的另一技术方案是，一种高铁牵引系统的有级调控抑制频带emi滤波器设计方法，按照以下步骤实施：

步骤1，测取高铁动车组发射的实际电磁干扰频谱，

使用电磁干扰接收机和有源环形天线对高铁动车组整车进行发射射频测试，测试结果有2条曲线，即差模干扰曲线及共模干扰曲线，

步骤2，根据国家标准要求确定高铁动车组整车电磁干扰的限制线，

步骤3，确定典型频谱点的频率，

将高铁动车组发射的电磁干扰频段9khz-30mhz分为三段，分别是：低频段为9khz-1mhz不包含1mhz，中频段为1mhz-10mhz不包含10mhz，高频段为10mhz-30mhz，

在低频段、中频段和高频段分别选取典型频谱点n1个；

步骤4，确定有级调控抑制频带emi滤波器的滤波开关电容组数n，

步骤5，确定典型频谱点处的实际频谱点干扰值asj_dm(i)或asj_cm(i)，

根据步骤1测取高铁动车组发射的实际电磁干扰频谱，以及在步骤3中确定的典型频谱点处，取实际频谱点的干扰值，如果是差模用asj_dm(i)表示，如果是共模用asj_cm(i)表示；

步骤6，计算典型频谱点的频谱差值ac_dm(i)或ac_cm(i)，

根据步骤3中确定的典型频谱点，将每个典型频谱点对应的电磁干扰幅值和步骤2所确定的电磁干扰的限制线进行差值计算，δa(i)表示典型频谱点i处的频谱差值，如果是差模用ac_dm(i)表示，如果是共模用ac_cm(i)表示；

步骤7，根据典型频谱点的频谱差值ac_dm(i)或ac_cm(i)确定典型频谱点对应的裕量插入损耗ily_dm(i)或者ily_cm(i)，

裕量插入损耗ily_dm(i)、ily_cm(i)分别表示典型频谱点i的差模裕量插入损耗值、共模裕量插入损耗值，

步骤8，确定高铁动车组emi拟抑制效果频谱线及拟抑制效果频谱点干扰值an_dm(i)及an_cm(i)，

在高铁动车组emi拟抑制效果频谱线上，在步骤3中确定的典型频谱点处取拟抑制效果频谱点干扰值，如果是差模用an_dm(i)表示，如果是共模用an_cm(i)表示；

步骤9，确定有级调控抑制频带emi滤波器的典型频谱点的实际差模插入损耗值ildm(i)及实际共模插入损耗值ilcm(i)，

滤波器的实际差模插入损耗值的计算公式为：

ildm(i)＝asj_dm(i)-an_dm(i)+ily_dm(i)

其中，asj_dm(i)为典型频谱点的实际差模频谱点干扰值；an_dm(i)为拟抑制效果频谱点的差模干扰值；ily_dm(i)为典型频谱点的差模裕量插入损耗值，

滤波器的实际共模插入损耗值的计算公式为：

ilcm(i)＝asj_cm(i)-an_cm(i)+ily_cm(i)

其中，asj_cm(i)为典型频谱点的实际共模频谱点干扰值；an_cm(i)为拟抑制效果频谱点的共模干扰值；ily_cm(i)为典型频谱点的共模裕量插入损耗值；

步骤10，确定有级调控抑制频带emi滤波器的差模电感ldm，

差模电感选取公式是：

式中，δu为设备允许的最大电源压降，f为50hz的工频；i为设备的额定工作电流；根据上述参数能够确定差模电感ldm的值；

步骤11，测取有级调控抑制频带emi滤波器差模电感的内阻rdm_l，

根据步骤10所选取的差模电感ldm，用lcr测试仪器测量其内阻值rdm_l；

步骤12，确定有级调控抑制频带emi滤波器差模插入损耗计算电阻rdm，

使用阻抗测量仪对接入滤波器左侧干扰源差模电感量进行测取，测取电感量用ldm_s表示，使用阻抗测量仪对接入滤波器左侧干扰源差模电阻量进行测取，测取电阻量用rdm_s表示，

则，有级调控抑制频带emi滤波器差模插入损耗计算电阻为：

rdm＝rdm_s+rdm_l

步骤13，获取有级调控抑制频带emi滤波器的差模电容cdm(i)，

cdm(i)表示的开关电容组i的差模电容值，差模插入损耗ildm(i)的计算公式为：

其中，rdm为差模插入损耗计算电阻；ldm为差模电感；ω为角频率；

根据步骤9、步骤10、步骤12所获取的实际插入损耗值ildm(i)、差模电感ldm、差模插入损耗计算电阻rdm，带入差模插入损耗ildm(i)的计算公式计算出差模电容cdm(i)的数值；

步骤14，确定有级调控抑制频带emi滤波器的共模电感lcm，

使用阻抗测量仪对接入滤波器左侧干扰源共模电感量进行测取，测取电感量用lcm_s表示，使用阻抗测量仪对接入滤波器左侧干扰源共模电阻量进行测取，测取电阻量用rcm_s表示，

步骤15，测取有级调控抑制频带emi滤波器共模电感的内阻值rcm_l，

根据步骤14所选取的共模电感lcm，用lcr测试仪器测量其内阻值rcm_l；

步骤16，计算有级调控抑制频带emi滤波器共模插入损耗计算电阻rcm，

共模插入损耗计算电阻表达式为：rcm＝rcm_s+rcm_l，

步骤17，确定有级调控抑制频带emi滤波器的共模等效电容ccmeq(i)，

共模等效电容ccmeq(i)表示开关电容组i的共模等效电容值，共模插入损耗ilcm(i)的计算公式为：

其中，rcm为共模插入损耗计算电阻；lcm为共模电感；ω为角频率；

根据步骤13、步骤14、步骤15所获取的参数实际插入损耗值ilcm(i)、共模电感lcm、共模插入损耗计算电阻rcm带入共模插入损耗ilcm(i)的计算公式得出共模等效电容ccmeq(i)的数值；

步骤18，确定有级调控抑制频带emi滤波器的共模电容ccm(i)，

ccm(i)表示的开关电容组i的共模电容值，根据步骤17得到的共模等效电容ccmeq(i)的数值，得到开关电容组i中两个相等容值的共模电容ccm(i)，将ccmeq(i)的容值除以2，即得到开关电容组i的共模电容值。

本发明的有益效果是，通过对超标频谱点的差值以及差值裕量的插入损耗计算，得出滤波器的最优插入损耗，实现对滤波器滤波频带的有级调控。解决了高铁牵引系统因工作环境和地点变化引起的频带变化，而传统的模拟emi滤波器对其束手无策的问题。通过调节电容设定滤波频带，动态跟随电磁干扰，减小设备对外电磁干扰大小，提高整个系统的可靠性，降低故障率。

附图说明

图1本发明的高铁牵引系统的有级调控抑制频带emi滤波器的拓扑图；

图2本发明的高铁牵引系统的有级调控抑制频带emi滤波器的共模等效图；

图3本发明的高铁牵引系统的有级调控抑制频带emi滤波器的差模等效图；

图4高铁整体列车电磁干扰频谱、国标线及拟抑制效果线。

图中，1.l线，2.n线，3.pe线，4.差模电感一，5.差模电感二，6.共模扼流圈，7.差模电容一，8.差模电容开关一，9.共模电容一，10.共模电容开关一，11.共模电容二，12.差模电容二，13.差模电容开关二，14.共模电容三，15.共模电容开关二，16.共模电容四，17.开关电容组一，18.开关电容组n。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的高铁牵引系统的有级调控抑制频带emi滤波器，由差模电感，共模扼流圈、各个开关、不同容值的电容组构成，该滤波器的抑制频带是由截止频率来划分。截止频率是滤波器中导通频带和截止频带的交点，截止频率是由滤波器中的共模电感lcm、差模电感ldm以及电容ceq共同决定的，由计算得到滤波器的等效截止频率，滤波器中，电感l串联在电路中，作用是通过串联一个高阻抗，阻断骚扰信号的流通，从而减少负载中的骚扰电压；电容c并联在电路中，作用是通过并联一个低阻抗的通路，使得骚扰电流分流，从而减少负载上的骚扰电流。不同大小的电感电容会产生谐振作用，其中电容值的变化直接影响到谐振频率，从而影响滤波器的截止频率，因此，本发明的滤波器只考虑改变电容的方式来控制滤波器截止频率的变化，采取固定电感值的方式，改变电容值，从而实现不同抑制频带的调控。在本发明滤波器拓扑结构中，接入电路中的共模扼流圈和差模电感的电感值固定，其中电容值的改变使用开关来选择接入电路的电容，每一组包括两个开关，分别用来控制接入电路中的差模电容和共模电容。通过选择接入电路中的电容组数，改变等效电容值的大小，实现有级的频带调控。

参照图1，本发明的高铁牵引系统有级调控抑制频带emi滤波器拓扑结构是，滤波器主要器件由电感、电容以及开关组成，

包括接入设备的三条输入线，三条输入线分别为l线1、n线2及pe线3，l线1上设置有差模电感一4(ldm1)，n线2上设置有差模电感二5(ldm2)，l线1和n线2之间连接有共模扼流圈6(lcm)，差模电感一4和差模电感二5以及共模扼流圈6的电感值保持不变；根据所需抑制频带的大小，共模扼流圈6的上输出端和下输出端共同与pe线3之间接入n组共模电容组，每个共模电容组中包括两个共模电容和一个开关；共模扼流圈6的上输出端和下输出端接入n组差模电容组，每个差模电容组中包括一个差模电容和一个开关，通过连入电路中电容值的大小，求出谐振频率即截止频率f，通过截止频率f计算出滤波器的通带和阻带，实现对频带的宽范围调控。每个共模电容组与一个差模电容组称为一个开关电容组，根据需要设置有n个开关电容组。

其中的开关电容组一17中，l线1通过差模电容一7(cdm(1))及差模电容开关一8(sd1)与n线2连接；pe线3与共模电容开关一10(sc2)连接，共模电容开关一10另一端同时连接有共模电容一9(ccm(1)，n线对地共模电容)和共模电容二11(ccm(1)，l线对地共模电容)，共模电容一9另一端接入n线2，共模电容二11另一端接入l线1；

以此类推，滤波器的开关电容组n18中，l线1通过差模电容二12(cdm(n))及差模电容开关二13(sdn)与n线2连接；pe线3与共模电容开关二15(scn)连接，共模电容开关二15的另一端同时连接有共模电容三14(ccm(n))和共模电容四16(ccm(n))，共模电容三14另一端接入n线2，共模电容四16另一端接入l线1。

参照图2，是根据图1的emi滤波器拓扑结构得到的共模等效电路图，其中，l线1和n线2以及pe线3分别为接入设备的三条线，滤波器采用固定电感值的方式来改变电容的大小，共模扼流圈6的感值保持不变，共模扼流圈6接入l线1和n线2之间。根据所需抑制频带的大小，可选择接入电路中的电容组数，开关电容组一17中，由共模电容开关一10控制接入电路中的共模电容一9和共模电容二11；在开关电容组n中，由共模电容开关二15来控制接入电路中的共模电容三14和共模电容四16。

参照图3，是根据图1的emi滤波器拓扑结构得到的高铁牵引系统的有级调控抑制频带emi滤波器的差模等效电路图，其中，l线1和n线2以及pe线3分别为接入设备的三条线，滤波器采用固定电感值的方式来改变电容的大小，差模电感一4和差模电感二5的感值保持不变，差模电感一4和差模电感二5分别为l线1和n线2的差模电感。根据所需抑制频带的大小，可选择接入电路中的电容组数，开关电容组一17中由差模电容开关一8控制接入电路中的l线n线间的差模电容一7。如果需要n组电容，则滤波器的开关电容组n18由差模电容开关二13控制接入电路中的l线n线间的差模电容14。

本发明的高铁牵引系统的有级调控抑制频带emi滤波器设计方法，按照以下步骤实施：

步骤1，测取高铁动车组发射的实际电磁干扰频谱，

使用r&s公司的esl3电磁干扰(emi)接收机和r&s公司的有源环形天线对高铁动车组整车进行发射射频测试，测试结果有2条曲线，即差模干扰曲线及共模干扰曲线，

具体测试方法为，在距离轨道10m远处放置有源环形天线，有源环形天线的圆环面与铁轨平行放置，高铁动车组在经过时，有源环形天线接收电磁干扰辐射信号并传输给esl3电磁干扰(emi)接收机，再从esl3电磁干扰(emi)接收机中得到具体的电磁干扰频谱曲线，测试结果示意曲线形状如图4所示。

步骤2，根据国家标准要求确定高铁动车组整车电磁干扰的限制线，

根据国标gb/t24338.3--2009《轨道交通电磁兼容第3-1部分：机车车辆列车和整车》所要求的不同频段的电磁干扰限制线，即国标线，确定高铁动车组整车电磁干扰发射的限制线。

步骤3，确定典型频谱点的频率，

将高铁动车组发射的电磁干扰频段9khz-30mhz分为三段，分别是：低频段为9khz-1mhz(包含9khz，但不包含1mhz)，中频段为1mhz-10mhz包含1mhz，但不包含10mhz)和高频段为10mhz-30mhz(包含10mhz，也包含30mhz)，

在低频段、中频段和高频段分别选取典型频谱点n1个，

实施例选取具体参数为：低频段9khz-1mhz(包含9khz，但不包含1mhz)，平均选取的典型频谱点频率为9.25khz、9.5khz、9.75khz。中频段1mhz-10mhz(包含1mhz，但不包含10mhz)，平均选取的典型频谱点频率为3.25mhz、5.5mhz、7.75mhz。高频段10mhz-30mhz(包含10mhz，也包含30mhz)，平均选取的典型频谱点频率为15mhz、20mhz、25mhz。

步骤4，确定有级调控抑制频带emi滤波器的滤波开关电容组数n，

开关电容组数n一般选择3的倍数，需要保证低频段、中频段和高频段三段均有滤波效果，开关电容组数n是每个频段选取典型频谱点n1的3倍，

实施例中，取n＝3×n1＝3×3＝9，即每个频段选典型频谱点3个，总典型频谱点为9个。

步骤5，确定典型频谱点处的实际频谱点干扰值asj_dm(i)或asj_cm(i)，

根据步骤1测取高铁动车组发射的实际电磁干扰频谱，以及在步骤3中确定的典型频谱点处，取实际频谱点的干扰值，如果是差模用asj_dm(i)表示，如果是共模用asj_cm(i)表示；

步骤6，计算典型频谱点的频谱差值ac_dm(i)或ac_cm(i)，

根据步骤3中确定的典型频谱点，将每个典型频谱点对应的电磁干扰幅值和步骤2所确定的电磁干扰的限制线进行差值计算，如图4所示中的δa(i)和δa(j)，δa(i)表示典型频谱点i处的频谱差值，如果是差模用ac_dm(i)表示，如果是共模用ac_cm(i)表示；

步骤7，根据典型频谱点的频谱差值ac_dm(i)、ac_cm(i)确定典型频谱点对应的裕量插入损耗ily_dm(i)、ily_cm(i)，

裕量插入损耗ily_dm(i)、ily_cm(i)分别表示典型频谱点i的差模裕量插入损耗值、共模裕量插入损耗值，其设定时遵循以下准则：

7.1)当超标频谱差值ac_dm(i)(或ac_cm(i))≥0时，定义裕量插入损耗ily_dm(i)(或ily_cm(i))＝5db；

7.2)当超标频谱差值-3db≤ac_dm(i)(或ac_cm(i))＜0时，定义裕量插入损耗ily_dm(i)(或ily_cm(i))＝5db；

7.3)当超标频谱差值ac_dm(i)(或ac_cm(i))＜-3db时，定义裕量插入损耗ily_dm(i)(或ily_cm(i))＝5db；

步骤8，确定高铁动车组emi拟抑制效果频谱线及拟抑制效果频谱点干扰值an_dm(i)及an_cm(i)，

高铁动车组emi拟抑制效果频谱线一般选取低于步骤2确定的高铁动车组整车电磁干扰限制线3db以内，实施例中低于2db即可，如图4所示。

在高铁动车组emi拟抑制效果频谱线上，在步骤3中确定的典型频谱点处取拟抑制效果频谱点干扰值，如果是差模用an_dm(i)表示，如果是共模用an_cm(i)表示。

步骤9，确定有级调控抑制频带emi滤波器的典型频谱点的实际差模插入损耗值ildm(i)及实际共模插入损耗值ilcm(i)，

滤波器的实际差模插入损耗值的计算公式为：

ildm(i)＝asj_dm(i)-an_dm(i)+ily_dm(i)

其中，asj_dm(i)为典型频谱点的实际差模频谱点干扰值；an_dm(i)为拟抑制效果频谱点的差模干扰值；ily_dm(i)为典型频谱点的差模裕量插入损耗值，

滤波器的实际共模插入损耗值的计算公式为：

ilcm(i)＝asj_cm(i)-an_cm(i)+ily_cm(i)

其中，asj_cm(i)为典型频谱点的实际共模频谱点干扰值；an_cm(i)为拟抑制效果频谱点的共模干扰值；ily_cm(i)为典型频谱点的共模裕量插入损耗值。

步骤10，确定有级调控抑制频带emi滤波器的差模电感ldm，

差模电感直接与动车组牵引系统电压降相关，也与其上流过的电流值，及其频率相关，差模电感选取公式是：

式中，δu为设备允许的最大电源压降，根据动车组的牵引工况，δu选取为牵引变流器进线端电压的1％为最大电源压降；f为50hz的工频；i为设备的额定工作电流；根据上述参数能够确定差模电感ldm的值；

实施例中，crh5和谐号的牵引变流器进线端电压的1％为最大电源压降为17.7v，f为50hz，设备的额定工作电流为1527a，则计算得到差模电感ldm的值为36.9μh。

步骤11，测取有级调控抑制频带emi滤波器差模电感的内阻rdm_l，

根据步骤10所选取的差模电感ldm，用lcr测试仪器测量其内阻值rdm_l；

步骤12，确定有级调控抑制频带emi滤波器差模插入损耗计算电阻rdm，

使用阻抗测量仪对接入滤波器左侧干扰源差模电感量进行测取，测取电感量用ldm_s表示，使用阻抗测量仪对接入滤波器左侧干扰源差模电阻量进行测取，测取电阻量用rdm_s表示，

则，有级调控抑制频带emi滤波器差模插入损耗计算电阻为：

rdm＝rdm_s+rdm_l

步骤13，获取有级调控抑制频带emi滤波器的差模电容cdm(i)，

cdm(i)表示的开关电容组i的差模电容值，差模插入损耗ildm(i)的计算公式为：

其中，rdm为差模插入损耗计算电阻；ldm为差模电感；ω为角频率，可取滤波频段中心角频率，即ω＝2πf＝2π×15mhz；

根据步骤9、步骤10、步骤12所获取的实际插入损耗值ildm(i)、差模电感ldm、差模插入损耗计算电阻rdm，带入差模插入损耗ildm(i)的计算公式计算出差模电容cdm(i)的数值。

实施例中，差模电容选择耐压为4000v、cy-2系列的高频薄膜电容。

步骤14，确定有级调控抑制频带emi滤波器的共模电感lcm，

使用阻抗测量仪对接入滤波器左侧干扰源共模电感量进行测取，测取电感量用lcm_s表示，使用阻抗测量仪对接入滤波器左侧干扰源共模电阻量进行测取，测取电阻量用rcm_s表示，

共模电感lcm通常选取共模扼流圈接入电路，电感值的选取准则是按照lcm＝(10～80)lcm_s进行选取，

一般倍数在10到80倍之间，感值通常为3μh—5μh，实施例中选取电感值为3μh的共模扼流圈作为共模电感量。

步骤15，测取有级调控抑制频带emi滤波器共模电感的内阻值rcm_l，

根据步骤14所选取的共模电感lcm，用lcr测试仪器测量其内阻值rcm_l；

步骤16，计算有级调控抑制频带emi滤波器共模插入损耗计算电阻rcm，

共模插入损耗计算电阻表达式为：rcm＝rcm_s+rcm_l，

步骤17，确定有级调控抑制频带emi滤波器的共模等效电容ccmeq(i)，

共模等效电容ccmeq(i)表示开关电容组i的共模等效电容值，共模插入损耗ilcm(i)的计算公式为：

其中，rcm为共模插入损耗计算电阻；lcm为共模电感；ω为角频率，可取滤波频段中心角频率，即ω＝2πf＝2π×15mhz；

根据步骤13、步骤14、步骤15所获取的参数实际插入损耗值ilcm(i)、共模电感lcm、共模插入损耗计算电阻rcm带入共模插入损耗ilcm(i)的计算公式得出共模等效电容ccmeq(i)的数值；

步骤18，确定有级调控抑制频带emi滤波器的共模电容ccm(i)，

ccm(i)表示的开关电容组i的共模电容值，根据步骤17得到的共模等效电容ccmeq(i)的数值，得到开关电容组i中两个相等容值的共模电容ccm(i)，只需将ccmeq(i)的容值除以2，即得到开关电容组i的共模电容值。

实施例中，共模电容选择耐压为4000v、cy-2系列的薄膜电容。