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1、地铁车辆变频空调系统谐波产生原因及抑制方案摘要：在地铁车辆变频空调运行过程中，受变频器内部不控整流桥的影响， 会产生电压谐波。如果谐波含量值较大，电压发生畸变，用电设备更容易损坏， 谐波干扰甚至会影响其它车辆系统的正常运行。本文分析了地铁车辆变频空调谐 波产生的原因，利用仿真工具调节谐波抑制元件参数，并基于此设计谐波抑制方 案，通过在电源侧设计消谐算法、在设备侧增加交流滤波器、直流电抗的方法， 并在实际应用中验证了方案的有效性。关键词：地铁车辆空调；变频器；仿真分析；谐波抑制1 引言传统地铁车辆空调采用定频压缩机，空调系统的制冷制热功能需通过启停压 缩机完成。制冷时，当车厢温度超过设定温度一定
2、值，压缩机启动；当车厢温度 低于设定温度一定值，压缩机停止。这样会造成车厢温度大幅波动，乘客乘坐体 验感较差。随着电力电子技术发展，变频器成本越来越低，越来越多的地铁车辆 空调转为变频控制，利用变频器改变压缩机转速，调节空调系统制冷量，使车厢 温度在一个较小范围内波动。然而空调增加变频器之后，电压谐波干扰问题也随 着而生，例如影响 PIS 信号、空调异响、烧损压缩机、辅逆误报三相不平衡等。 本文对谐波产生原因进行了分析，通过在电源侧设计消谐算法、在设备侧增加交 流滤波器、直流电抗的方法，达到降低电源谐波含量的目的。2 谐波产生绝大多数的地铁车辆空调不能直接从接触网 DC1500V 电源直接取电
3、，需要辅 助逆变器将 DC1500V 逆变为三相 AC380V 电源。在理想条件下，辅助逆变器输出 电压是只含有基波分量的正弦电压。由于变频器内部含有不控整流桥，而整流桥输出的脉动电流含有5、7、11次等各次谐波。根据图1，变频器前端输入电流如式1所示：则设备端的电压为：，、i |；宀 .：i i-.：-门.：:（2）电流施加于变频器的阻抗上，不可避免的产生电压谐波，最终导致辅助逆变 器输出电压中含有谐波分量。3解决方案在长沙地铁首列采用变频空调的车辆进行测试，前期项目设计时，没有考虑谐波危害，空调机组内部没有装配交流滤波器以及直流电抗器。开启整列车制冷压缩机以70Hz运行，测得电压谐波图片如
4、图1所示：顽M fflID |A| PWiv |AJ WS1电|A|咖FrKfjflncv： HTO U L1. I訂酮THD.UJ2. |-1沪5图1 无谐波抑制方案的变频空调谐波实测值可以看到，变频空调如果没有谐波抑制措施，电压谐波含量是比较高的，电 压谐波均值达到13.65，电源品质较差。为降低电网电压的谐波含量，需对辅助逆变器输出侧和空调设备侧进行处理。若要降低或者消除负载电压的谐波分量，可以使辅助逆变器输出电压对空调产生 的谐波电压进行补偿，降低 5、7、11 次等各次电压谐波含量；同时，在空调侧 可以在变频器前端增加交流滤波器，在整流桥后端加入直流电抗器。其原理图如 图 2 所示：
5、計辿.址器顶允ibJi农,.,踝汀.F.T- I LiJiLL；4*- :+ -I I I 脅 专r，口.”vI I I I -.埠止 .止压：.A& &- * A- 4. .4 -:-，1I* * * 图2辅助逆变器驱动空调变频器原理图根据电路原理，对于交流滤波器上的电感，其感抗和电源频率成正比：就一兀，频率越高，其感抗越大，可以阻止高次谐波流入电网；对于交流滤波器 上的电容，其容抗和电源频率成反比：“.r ;同时，交流滤波器内部电路阻抗：，八一：“，当-时，电路的感抗和容抗相等，即在这个频率下，整个电路呈纯电阻特征，可利用此谐振原理，设计好电感和电容参数，可将 电路中含量最高的谐波分量滤除
6、。整流桥输出电流要经过直流电抗，由于电感上的电流不能突变，直流电抗可 以抑制整流后的纹波脉动分量，使整流后的电流连续不断，也能降低谐波干扰。 电感量越大，电压谐波含量越低。但是电感量增大的同时，直流电抗的体积、重 量和成本也随之增加，因此，选择 3mH 的电抗是较为合适的。利用 Matlab/Simulink 软件对图 2 变频器部分进行仿真验证，结果如图 3 所示：FjnlanwmJ fWi IHG TH 4 80%FFTTmaiT Egga减WKtjilEF耳.1 . . I . I L . I I at-lueim-liw * 4SSMl(KK：1=4025W图3增加谐波抑制措施前后电压
7、谐波仿真对比不采取谐波抑制措施，电压 THD 为 14.6%，增加交流滤波器和直流电抗器后电压THD下降至4.07%。4 测试验证为验证上述方案的可行性，需对辅逆输出侧的电压谐波含量值进行测试。结 合长沙地铁 B 型车空调电源配置情况，由辅助逆变器厂家提供一台辅逆，空调厂 家提供六台空调进行测试，测试地点为长沙地铁某车辆段大修库。将地面电源柜的DC1500V正极通过70mm2电缆接至辅助逆变器正极，将辅助 逆变器的负极接至回流轨，并将辅助逆变器良好接地；辅助逆变器输出三相接至 3个分线器，通过多根16mm2电缆分别接到3个空调控制盘端子排对应接线点位， 再通过专用连接器线束对插到空调重载连接器
8、高压端；同时控制线束也需对插到 空调重载连接器低压端；每台空调也需良好接地。实物摆放如图 4所示：图4 谐波含量测试现场通过空调上位机设定参数的方法，使空调工作在不同工况下，并测试典型工 况的波形，测试结果如图 5 及表 1 所示：测试1空载 测试8 台压缩机55Hz运行测试18两台压缩机55Hz运行 测试12辅逆不消谐，两台压缩机55Hz运行图 5 测试波形表 1 详细测试结果号序试验方法谐 波含 量3 /号试验方法谐 波含 量空载，测辅助逆变器三相输出电压及谐波0.922取消辅助逆变器消谐算法，两台压缩机55Hz运行7.212只开通风机00运行.260运行.8711一台压缩机70Hz运行2
9、.09C21:两台压缩机70Hz运行3.85为保证测试结果真实有效，每组数据都要在空调运行稳定后，测试3次，取 其平均值作为测试结果。变频器在不同输出频率下，自身产生的谐波干扰也不同，滤波器和电抗器抑制谐波的能力也随之不同；两个变频器同时工作时，相互之间的耦合关系也较为 复杂，导致电源谐波含量和变频器输出频率并没有简单的线性对应关系。在压缩 机最佳工作频率 55Hz 附近，不管是半冷工况还是全冷工况，谐波含量都非常低， 而且在整个变频器工作范围内，电网的谐波含量都比较低，远低于谐波含量V 10% 的设计指标。5结束语变频空调对地铁车辆客室温度能够精确控制，给乘客带来更好的乘坐体验， 如果空调变
10、频器产生的谐波影响辅助逆变器输出电压品质，带来各种问题，甚至 影响列车运营，反而得不偿失，所以需要尽量抑制变频器产生的电压谐波，让所 有用电设备能稳定运行。本文吸取既往地铁车辆变频空调项目中谐波抑制的经验， 从理论出发，结合仿真研究，综合辅助逆变器厂家和变频器厂家的力量，利用地 铁公司车辆段的电源和场地，在空调装车前验证了谐波抑制方案的可行性，避免 了装车测试谐波含量不达标带来的各种整改麻烦。参考文献：1 张艳红，罗建军，金涛，等.变频器谐波分析及解决措施J.化工自动化及仪表，2014，41( 2) :219-2212 王轶，冯晓云地铁车辆牵引变频调速系统的设计与仿真J.电力机车 与城轨车辆,2004(27):28-30.3 何钦，张志山变频器谐波的危害及防治J 电机与控制应 用，2012,39(11):54-57.4 王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿M.2版.北 京:化学工业出版社，20165 梁开义，郑传海，张振涛地铁车辆变频空调节能改造试验及应用前景 分析J.中城科数(北京)智慧城市规划设计研究中心会议论文集，2017 (2): 58-60.
地铁车辆变频空调系统谐波产生原因及抑制方案
