地铁车辆变频空调系统谐波产生原因及抑制方案

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，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：

(1)

则设备端的电压为：

(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图1所示：

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：

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：，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：；同时，交流滤波器内部电路阻抗：，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。

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：

图3 增加谐波抑制措施前后电压谐波仿真对比

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 一台压缩机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

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＜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) :219-221．