电气化列车牵引变流器对RS485总线通信 可靠性的影响研究

刘光辉，马春英，申超楠，毕江林

(1.郑州铁路职业技术学院，河南 郑州　451460；2.国网浙江嘉善县供电有限公司，浙江 嘉善　314100)

电气化列车的智能化、自动化已是大势所趋，RS485总线以其成本低廉、控制方便、设计简单、支持多节点远距离通信、高接收灵敏度以及连线简单等优点在电气化列车控制领域得到了广泛应用[1-3]。牵引变流器是电气化列车的重要电气设备，其正常工作时IGBT元件快速动作，导致瞬时电流、电压非常大，从而形成尖峰脉冲电流及电压[4]，可能会对车内RS485总线造成干扰。

在实验室自制RS485总线通信系统，根据GB/T 17626.4用上海prima公司生产的EFT61004BG对该通信系统施加干扰。录像观察自制RS485总线通信系统的工作状况，判别瞬变电压、电流是否影响其正常通信。试验表明施加国标干扰时，RS485总线通信系统不会出现信息丢失和误码现象，进而验证电气化列车牵引变流器工作时产生的瞬变电压、电流不会影响RS485总线信息传输。

1　牵引变流器工作原理

我国主流电气化列车均采用交直交变流方式进行供电，该供电方式可以把接触网单相电变成电机所需的三相电并保证列车用电的电能质量。如图1所示，受电弓从接触网滑动受流获取电能，通过列车车顶的高压母线以及真空断路器(VCB)输送到主变压器(TRA)原边降压。主变压器次边电压由整流器把交流电变成直流电，经过直流电容稳压后由逆变器把直流电变成幅值和频率都可变的交流电。

图1　电气传动原理图

整流器与逆变器均是采用IGBT模块，该模块属于硬开关工作方式。工作过程中由于牵引变流器进行功率大、频率高的开关动作，电压、电流的变化率都非常大，极易对列车弱电系统造成电磁干扰。

2　RS485通信系统

该系统的上、下位机分别使用一片AT89C52RC单片机完成二者之间的通信[5]，核心模块主要是电源模块、发送模块、接收模块、显示模块。该系统在满足通讯功能的同时，经济效益最佳。RS485通信系统原路图如图2所示，当电压模块通电后，上位机根据烧录的程序向下位机传送数据(数字121)，下位机接收到数据经过处理后经74HC595芯片显示在共阳数码管上。

图2　通信系统原理图

3　电快速脉冲群试验(EFT)

3.1　试验用EFT发生器介绍

试验采用的电快速脉冲群发生器主要特点是：

(1)符合IEC61000-4-4和GB/T 17626.4的要求；

(2)实现编程操作，一键完成相关设定功能；

(3)显示屏幕大，便于操作；

(4)高压电源性能十分优异；

(5)内置国标参数，操作简单；

(6)最高试验频率可达1 200 kHz。

电快速脉冲群波形为双指数，脉冲群持续作用时间为15 ms，脉冲群周期为300 ms。

3.2　EFT发生器工作原理

EFT发生器电路简图如图3所示，储能电路主要由充电电阻Rc以及储能电容Cc组成，放电电路主要由放电控制开关器件K、阻抗匹配电阻Rm、隔直电容Cd以及波形形成电阻Rs组成。

图3　EFT发生器电路简图

EFT发生器工作顺序为：电源对电容Cc进行充电至设定的电压，电阻Rc起到限流作用。电容Cc电压稳定后，开关器件K闭合，储能电路与放电电路连通。电容Cc中储存的电能通过负载电阻迅速释放，此时高压纳秒级脉冲在同轴输出端口形成。经过一段时间放电后电容Cc中的能量不足，放电结束。开关器件K断开高压电源对电容Cc进行充电，在下一次驱动信号作用下，开关器件K再次闭合，再次重复上述动作，通过50 Ω的同轴衰减器输出连续的高压脉冲群信号。

3.3　EFT试验

EFT试验需要使用电容耦合夹，台式设备信号线抗干扰性型式试验的配置如图4所示。RS485通信系统通电后，发送端(上位机)不停地向接收端(下位机)发送数字121。同时将RS485总线放入电容耦合夹中，依据GB/T 17626.4，分别注入不同等级的脉冲，脉冲的电压峰值、重复频率不同，持续时间为2分钟，具体设置如表1所示。为提高试验的准确性，录像观察显示模块的变化，因为摄像机的分辨率远高于人眼，从而保证RS485总线受干扰的瞬间能被捕捉到。

图4　信号线抗干扰性试验

等级电压峰值/kV重复频率/kHz10．255/10020．55/100315/100425/100

耦合夹能在与受试设备端口的端子、电缆屏蔽层或受试设备的任何其他部分无任何电连接的情况下将快速脉冲群耦合到受试电路。电快速脉冲群发生器连接到耦合夹最接近受试设备的一端。耦合夹本身应尽可能地合拢，以提供电缆和耦合夹之间最大的耦合电容。

在耦合夹注入脉冲的同时，录像观察显示模块的变化。通过录像回放显示，在长达2分钟EFT试验过程中没有出现显示模块不工作和乱码的现象。EFT试验表明，牵引变流器开关器件IGBT快速动作所产生的脉冲不会干扰RS485总线正常工作。

4　结语

本研究分析了电气化列车牵引变流器的工作原理以及牵引变流器工作过程中产生电磁干扰的原因。通过电快速脉冲群试验验证该干扰是否对列车通信系统RS485总线产生电磁干扰。结果表明，电气化列车牵引变流器开关器件IGBT快速动作所产生的电磁脉冲不会干扰RS485总线正常工作。

[1]弋沛琦，鞠建波，范敬泽，等.总线通信可靠性的分析与研究[J].海军航空工程学院学报，2009,24(6)，692-694.

[2]李成，王鹏，丁天怀，等.RS-485总线的高速串行远距离数据传输[J].清华大学学报(自然科学版)，2009,49(5)，684-687.

[3]穆斌，罗珣.RS-485总线网络应用中的安全与可靠性[J].光学精密工程，2003,11(2)，193-197.

[4]陈郭霞.牵引变流器电磁兼容技术研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[5]孟庆波，曲素荣，芮红，等.三级控制的AT89C系列多单片机系统设计[J].郑州铁路职业技术学院学报，2017,29(2)，1-2.