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铁路信号电磁兼容实验报告学院：电子信息工程学院班级：信号1504姓名：学号：日期：2017/11/11目录实验一 扼流变压器参数和特性测试1（一）扼流变压器牵引线圈阻抗测试实验11.实验目的12.实验电路13.实验设备和仪表14.实验步骤25.实验记录和数据26.结论分析3（二）扼流变压器线圈同名端测试实验41.实验目的42.实验电路43.实验设备和仪表54.实验步骤55.实验记录66.结论分析6（三）扼流变压器变比（匝数比）测试实验61.实验目的62.实验电路63.实验设备和仪表74.实验步骤75.实验记录和数据76.结论分析8实验二 扼流适配变压器参数测试8（一）适配器品质因数和谐振阻抗测试实验81.实验目的82.实验电路83.实验设备和仪表94.实验步骤95.实验记录和数据106.结论分析10实验三 钢轨阻抗特性测试实验111.实验目的112.实验电路113.实验设备和仪表124.实验步骤125.实验记录和数据126.结论分析13实验四 牵引电流干扰轨道电路实验14（一）牵引电流模拟系统特性实验141.实验目的142.实验电路143.实验器材154.实验步骤155.结论分析15（二）25Hz 相敏轨道电路系统测试实验151.实验目的152.实验电路153.实验设备和仪表174.实验步骤175.结论分析17（三） 不平衡牵引电流对轨道电路干扰测试实验171.实验目的172.实验原理173.实验设备和仪表184.实验步骤185.结论分析18实验五 浪涌抑制器件性能测试实验191.实验背景192.实验目的203.实验原理204.实验仪器225.实验内容及步骤226.实验结果237.测试结果分析23实验六 研究设计性实验24电源EMI滤波器的设计251.实验目的252.实验方案253.电路设计仿真264.滤波效果测试275.电路优化296.实验总结2930实验一 扼流变压器参数和特性测试（一）扼流变压器牵引线圈阻抗测试实验 1. 实验目的 (1) 测试 BE 600/25 扼流变压器牵引线圈阻抗值。 (2) 掌握扼流变压器阻抗特性和工作原理。 2. 实验电路扼流变压器牵引线圈 25Hz 阻抗测试电路图中，K闸刀开关，TB电压范围 250V、3kVA 调压器（下同），V交流电压表，A 交流电流表。原理：阻抗值 Z=R+jL、|Z|=V/A，改变频率求出|Z|（25Hz）和|Z|(50Hz)。 3. 实验设备和仪表25Hz 变频器（一台），交流电压表（一个），交流电流表（一个），扼流变压器，导线。 4. 实验步骤 (1)、闭合开关 K，调整调压器 TB 使 V=0.5、1.0、1.5V，分别测电流表 A 的值，并计算阻 抗 Z=V/A，得出三组|Z|（25Hz）然后求平均值得出|Z|（25Hz）； (2)、移去 25Hz 变频器，闭合开关 K，调整调整调压器 TB 使 V=0.5、1.0、1.5V，分别测 电流表 A 的值，并计算阻抗 Z=V/A，得出三组|Z|(50Hz) 然后求平均值得出|Z|（25Hz）。 5. 实验记录和数据表1-1 25Hz频率下扼流变压器牵引线圈阻抗测试表V(25Hz)(V)0.51.01.5I(A)1.02.43.9|Z|0.500.420.38得到|Z|25Hz= 0.43V(50Hz)(V)0.51.01.5I(A)0.61.352.1|Z|0.830.740.71|Z|50Hz=0.766. 结论分析 (1) 整理实验数据，将实验结果与理论值进行分析、比较；分析误差值和误差原因。 实验数据如上，通过得到三个不同电压值下电流表的值能求得变压器牵引圈的平均阻抗大小。在25Hz时约为0.43；在50Hz时约为0.76。牵引圈阻抗特性为感性阻抗，理想状态下，其在频率增加两倍后阻抗也应该增加两倍，但实际实验测得增加倍数为1.76倍，误差值约为12%。分析其误差原因，可能是因为该变压器在实际情况下并不能完全等效为一个纯电感，其上可能分布有电阻或电容，这样便会导致频率与阻抗的非线性关系，产生误差。(2) 分析两个频率下测得阻抗变化规律，分析扼流变压器阻抗特性。以上两图为25Hz与50Hz时牵引圈阻抗随电压的变化情况。可以看到，当加在变压器两端的电压升高时，其阻抗会下降。原因经分析可能是因为当变压器两端的电压增加后，流经变压器的电流也会相应增加，此时变压器中磁感应强度也会增大，容易产生铁磁饱和现象，导致牵引圈的阻抗下降。（二）扼流变压器线圈同名端测试实验 1. 实验目的（1） 利用指针电压表（或交流法）测试 BE 600/25 扼流变压器线圈同名端。（2） 掌握扼流变压器基本特性和工作原理。 2. 实验电路 扼流变压器同名端测试电路图原理：所谓变压器的同名端，就是在两个绕组中分别通以交流电（或者直流电产生静止磁场），当磁通方向迭加(同方向)时，两个绕组的电流流入端就是它们的同名端，两个绕组的电 流流出端是它们的另一组同名端。如采用交流法，在电路图中用一根导线将1、4两端连接，测 得2-6、4-6、1-2端电压，如满足关系V2-6 = V4-6 - V1-2，即可得2、6端为同名端。 3. 实验设备和仪表直流（或交流）电压源，扼流变压器，指针式万用表。 4. 实验步骤 （1） 给出 1.0V 电压，合上开关 K，万用表红表笔接 4 端，黑表笔接 6 端，查看 4、6 间电 压表的值，如果是正数则 1、4 属于同名端，如果是负数，则 1、5 属于同名端。（2） 同理测试出 7、8 和 10、11 的同名端。 5. 实验记录表2-1 扼流变压器 同名端测试表端口（4、5）（7、8）（10、11）V（V）+同名端47106. 结论分析 思考用直流电压表或交流测试扼流变压器同名端的原理。 变压器初级和次级的同名端相对于非同名端均为高电位或低电位，通过测试初级电压，再测试次级电压，判断其极性正负，便可分辨出哪一端为同名端。（三）扼流变压器变比（匝数比）测试实验 1. 实验目的 （1）利用仪器测试扼流变压器线圈的匝数比。 （2）深入理解扼流变压器基本作用和工作原理。 2. 实验电路 扼流变压器线圈匝数比测试电路图原理：理想变压器的原副线圈匝数比等于原副线圈两端的电压比。 3. 实验设备和仪表 交流电压源（调压器），滑动变阻器，扼流变压器，数字万用表。4. 实验步骤 （1） 电压源输出 12V 电压，合上开关 K，看万用表 2 的数值，得出比值； （2） 调节电压源输出的电压值，再读出万用表 2 的值，像这样多次测量，求出一组比值，最 后求平均值即为要测的匝数比。 5. 实验记录和数据表3-1 扼流变压器变比测试表V1(V)1.01.52.0V2(V)2.8454.4655.94实测匝数比V1：V20.3510.3360.337理想匝数比1：31：31：36. 结论分析通过不同线圈之间匝数比与理想匝数比较，分析实验结果。变压器参数如上，初级为16匝，次级为48匝，得到理想匝数比为1:3。实测得到匝数比平均值与理想匝数比相近，均在1:3左右，调整初级电压大小，得到的结果也基本一致，则可知实验结果与实际情况吻合，仪器参数得到了验证实验二 扼流适配变压器参数测试（一）适配器品质因数和谐振阻抗测试实验1. 实验目的（1）测试适配器的品质因数（Q）和谐振阻抗。（2）掌握扼流适配变压器中适配器的特性和工作原理。2. 实验电路 原理：品质因数（Q）表示一个储能器件（如电感线圈、电容等）、谐振电路中所储能量同每周期损耗能量之比的一种质量指标。电抗元件的Q值等于其电抗与其等效串联电阻的比值；元件的Q值愈大，用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。Q=无功功率/有功功率=1/CR=L/R=V1（或V2）/V3 (为谐振频率) LC串联电路阻抗Z=R+j(L-1/C)，发生谐振的条件是Z的虚部为0，即L=1/C此时的Z=R=V3/I，为谐振角频率。3. 实验设备和仪表可调交流电压源，电流表，电压表，滑动变阻器。4. 实验步骤调整变压器T，使交流电流表A的值为0.5、1.0、2.0A，分别记下对应的V3、V1、V2的值，由下式可计算出Q值：Q= V1或V2（取较小的）V3Q应取最小值，即得到适配器的品质因数。5. 实验记录和数据I(A)0.51.02.0V1(V)84.3133.5248V2(V)82.7131.3244V3(V)3.65.49.5Q23.024.325.7Z()7.25.44.8Q=23.0Z=(7.2+5.4+4.8)/3=5.86. 结论分析1) 品质因数的定义和其他计算方法。Q=wl/RQ=12-12) 整理实验数据，简要分析如何提高Q值和减小谐振阻抗。a) 增大传输电流b) 根据工作频率选择绕制线圈的导线。低频段工作的电感线圈应采用漆包线等带绝缘的导线绕制。c) 选用优质骨架，减少介质损耗。通常对于要求损耗小、工作频率高的电感线圈，应选用高频陶瓷、聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高频介质材料做骨架。d) 选用带有磁芯的电感线圈。电感线圈中带有磁芯时，可使线圈圈数及其电阻大大减少，有利于Q值的提高。e) 合理选择屏蔽罩的尺寸。线圈加屏蔽罩后，会增加线圈的损耗，降低Q值。因此，屏蔽罩的尺寸不宜过大和过小。实验三 钢轨阻抗特性测试实验1. 实验目的（1）测试在不同频率下钢轨的阻抗特性（包括电抗和电阻）。（2）了解轨道电路的传输特性，理解传输补偿的作用。2. 实验电路原理：阻抗值 Z=R+jL,|Z|=V/A，改变频率求出|Z|，通过示波器得到电压电流的相位关系，进而求出 R 和 L。3. 实验设备和仪表函数发生器，功率放大器，钢轨，电流表，电压表，限流电阻，电流传感器，示波器。4. 实验步骤调整函数发生器和功率放大器，输出 2000Hz 频率下， 钢轨电流 0.5A，1.0A，1.5A，分别测电流表 A 的值，并计算阻抗 Z=V/A，得出三组|Z|，然后求均值得出|Z|。5. 实验记录和数据表 7-1 2000Hz 时钢轨阻抗测试数据记录表I(A)0.51.01.5V(mV)3.86.08.7|Z|()0.00760.00600.00586. 结论分析（1） |Z|平均=（0.0076+0.0060+0.0058）/3=0.0065,换算后为6.5/KM，与标准的16.44/KM相比较小，考虑到所测钢轨所处环境为实验室，较实际铁路环境而言可作为理想环境，没有温度、建设工艺等影响因素干扰，测出的阻抗不会大于实际环境阻抗，可视为所得阻抗接近于标准，验证了钢轨阻抗特性标准的正确。（2）随着频率的上升，钢轨的阻抗也会随之上升，因为钢轨可以等效为一个RL串联电路，即Z=R+jL，在频率上升时钢轨的阻抗中的电感部分就会上升，使得整个钢轨对此高频信号的阻抗增加。实验四 牵引电流干扰轨道电路实验（一）牵引电流模拟系统特性实验1. 实验目的（1）理解不平衡电流的产生原因、电流源特征及对轨道电路的影响。（2）模拟 50100A 不平衡牵引电流的稳定状态、脉冲状态。2. 实验电路原理：通过集中参数 R 和 L 模拟钢轨阻抗，相应产生不平衡电流。总电流和不平衡电流的大小可以调节控制。I 代表总电流，I1 和 I2 分别为钢轨 1、2 中电流。EUT 指被测设备（如轨道电路发送和接收器）。3. 实验器材电压源，可调变压器，扼流变压器，电阻，电感，钳式电流表，导线。4. 实验步骤调节 L 和 R 模拟约 600m 钢轨，打开电源，调节电压，使两根钢轨上的电流差达到 100A。5. 结论分析简要分析如何利用其他电路来控制交流接触器通断，以调节脉冲状态的周期。可以加一个单片机来控制交流接触器的通断（二）25Hz 相敏轨道电路系统测试实验1. 实验目的了解 97 型 25Hz 相敏轨道电路工作原理和系统结构、基本抗干扰设计。2. 实验电路25Hz相敏轨道电路工作原理：25Hz轨道电路的信号电源是由铁磁分频器供给25Hz交流电，以区分 50Hz 牵引电流，接受器采用二元二位轨道继电器，该继电器的轨道线圈由送电端 25Hz轨道电源经轨道传输后供电，局部线圈则由 25Hz 局部分频器电源供电。轨道继电器工作时，从轨道电路取得较少的功率(0.6VA)而大部分功率(6.5VA)是通过局部线圈取自局部电源。只有轨道继电器上的轨道线圈电压 Ug 和局部线圈电压 Uj 之间的相位角接近或等于 90时，转矩最大，使翼片绕轴旋转，带动节点动作，否则，翼片不能旋转，不能带动节点动作。所以，25Hz 轨道电路既有对频率的选择性(区别开电力牵引电流)，又有相位的选择性。当轨道线圈和局部线圈电源电压满足规定的相位要求时，GJ 吸起，轨道电路处于调整状态，即表示轨道电路空闲。当列车占用时，轨道电路被分路，GJ 落下。若频率、相位不对时，GJ 也落下。3. 实验设备和仪表电压源，25Hz 轨道电路系统（分频器，限流电阻，熔断器，防雷补偿器，防护盒，二元二位轨道继电器，扼流变压器，轨道变压器等），示波器。4. 实验步骤（1）了解 25Hz 相敏轨道电路工作原理，按照电路图连接电路。（2）调整轨道电压、相位差，使 GJ 可靠吸起。（3）改变轨道电压或相位，记录何时继电器落下。5. 结论分析根据实验现象，分析影响 GJ 动作的原因。不平衡牵引电流的干扰，由于雷电产生的浪涌脉冲的干扰。（三） 不平衡牵引电流对轨道电路干扰测试实验1. 实验目的（1）实现不平衡牵引电流干扰对轨道电路的耦合。（2）掌握稳态和脉冲牵引电流传导性干扰影响轨道电路的原理和防护策略。2. 实验原理实验电路图中，R、L 用来模拟钢轨，形成轨道电路不平衡。本实验以 25Hz 相敏轨道电路作为实例，考察牵引电流干扰的影响。其耦合装置是扼流变压器设备。对于无绝缘轨道电路设备，耦合装置是调谐区的空心线圈（SVA）。3. 实验设备和仪表牵引电流模拟系统，脉冲电流模拟装置，限流电阻，完整轨道电路系统及测试仪表，电流传感器。4. 实验步骤（1）按图连接电路，调整轨道电路为可靠工作状态。（2）接通电源，测量模拟钢轨的两条导线中电流值。调节可调变压器两钢轨中电流差值为100A（即基波干扰），观察 GJ 的情况，记录相关数值。对于音频轨道电路，可以施加带内谐波干扰，重复此步骤。（3）接通脉冲电流模拟装置，在系统中引入基波脉冲干扰，记录相关波形并观察 GJ 的情况。（4）调整轨道电路为可靠落下状态，重复上述步骤。5. 结论分析（1）结合有关资料，分析轨道电路对牵引电流传导性干扰的防护技术抗电气化干扰目的本质上是减小干扰功率主要设计思想：防止扼流变压器在大的电气化脉冲电流下产生饱和；有效防止干扰进入发送和接收设备；设法使25Hz信号传输处于最佳状态，增大扼流变压器饱和电流:避免变压器饱和，可在变压器铁心中留出一定气隙；减小功率-扼流变压器牵引圈激磁电流；改善25Hz信号传输：1.提高25Hz信号阻抗扼流变压器次级并接50Hz串联谐振电路，还可增加25Hz信号的传输能力，改善25Hz信号的相位，进一步减小轨道电压传输相移。（2）总结以上各实验，提出问题或建议。可以增加对防护措施的特性测试，对防护效果进行定量分析。在不平衡电流的基础上，增加相敏电路对浪涌脉冲的防护。实验五 浪涌抑制器件性能测试实验1. 实验背景 雷电是强烈的电磁干扰源。系统中的信号线及电源线能由于直击雷或感应雷的作用而产生浪涌高压脉冲。浪涌信号不仅会干扰设备的正常运行，往往还会直接损坏设备。 通常采用压敏电阻（MOV）、气体放电管(GDT)、瞬变电压抑制二极管(TVS)等浪涌抑制器件，或它们组成的浪涌抑制 模块来抑制浪涌干扰。2. 实验目的 了解浪涌波形的特点及主要参数。 l学会使用浪涌发生器及示波器测试分析浪涌抑制器件及浪涌抑制模块性能的方法。 l掌握典型浪涌抑制器件（MOV、GDT、TVS）的主要性能参数 、优缺点及主要应用场合。3. 实验原理 雷电是强烈的电磁干扰源。雷电放电电流会在周围空间产生辐射电磁场，从而会在地面上 的金属导体感应出很高的电压。系统中的信号线、电源线上都可能由于感应雷的作用而产生浪 涌高压脉冲。如果信号线、电源线的负载为高阻抗负载，则浪涌会在负载上产生类似于图 5-1 的开路电压脉冲。如果信号线、电源线的负载为低阻抗负载，则浪涌会在负载上产生类似于图 5-2 的短路电流脉冲。工程上，常使用在信号线或电源线上并联的浪涌抑制器件来抑制浪干扰，如气体放电管 (GDT)、金属氧化物压敏电阻(MOV)、瞬变电压抑制器(TVS)等。这些器件的两端在正常的工作电压下(如 220V 交流工作电压或 48V 直流工作电压等)为断路状态，不会对电路有任何影响。 而在浪涌信号下(浪涌电压通常在 1000V 以上)，这些器件为短路状态，从而实现泄流和降压， 使后面的负载免受浪涌的干扰和损坏图 5-4 测试所得典型的浪涌电压波形：（1）负载未并联 TVS 管；（ 2）负载并联 TVS 管4. 实验仪器 JD-I 型浪涌发生器一台，数字示波器一台，浪涌抑制器件 GDT（型号：PK2R-8*6）、 MOV （型号：20D390K）、 TVS（型号：PK2R-8*6）若干，120 高功率电阻负载（100W）一个， RC 耦合网络（R=47，C=0.47F），面包板一块，导线若干，手动开关 3 个。 5. 实验内容及步骤 按图 5-5 连接好实验设备。完成如下实验内容：（1）打开开关 K1、K2、K3，释放浪涌信号，用示波器观察浪涌发生器的输出。通过调节 浪涌发生器电压调节旋钮，使其输出的 1.2/50s 开路电压波的幅值固定在 1000V。 （2）单独合上 K1,保持浪涌输出电压不变（1000V），释放浪涌信号，用示波器测试并记录 并联 GDT 后负载两端的浪涌电压波形。由波形得出 GDT 的击穿电压、钳位电压及响应时间。（3）调节浪涌发生器电压调节旋钮，使其浪涌电压的幅值超过实验所用 GDT 的最大限制电 压的 50%，释放浪涌信号，用示波器测试负载两端的浪涌电压波形。通过波形来判断 GDT 是 否已经失效。如果没有失效，继续提高浪涌电压，直至浪涌抑制器件失效，通过负载两端的电 压波形确定其失效模式是开路还是短路。 （4）分别单独合上开关 K2、K3，重复步骤 2 和 3，得出测试所用 MOV 及 TVS 的击穿电压、 钳位电压、响应时间和失效模式。6. 实验结果（1）无浪涌抑制器件时，浪涌电压峰值780V/（2）并联14D391K时，120负载两端浪涌电压峰值为650V 左右，与标称的钳位电压接近。（3）并联20D390K时，120负载两端浪涌电压峰值为90V左右，与标称的钳位电压接近。7. 测试结果分析上述测试结果表明，压敏电阻能对浪涌电压起到 良好的钳位作用。可以根据电路的实际需要，选择合适的压敏电阻来保护负载电路。 测试结果同时表明，压敏电阻泄流较为缓慢，固有电容较大，不适合直接用于高速通信电路的浪涌防护。可在压敏电阻后并接TVS管来提高响应时间。几种常用浪涌抑制器件比较器件类型泄流能力反应时间残压极间电容续流现象老化极限气体放电管大慢，亚微秒级低小有有硅雪崩二极管块，亚纳秒级箝位较小无无压敏电阻较大较快，数十纳秒较高大无有TVS较小快，亚纳秒级箝位较大无无实验六 研究设计性实验电源EMI滤波器的设计1. 实验目的了解铁道信号电磁兼容相关标准，理解EMI电源滤波器的工作原理，根据铁路信号电磁兼容标准调整参数设计EMI滤波器，滤除高频噪音。2. 实验方案在铁路信号传输过程中，电磁干扰能量可通过传导性耦合或辐射性耦合来进行传输。为满足电磁兼容性要求，辐射性耦合采用屏蔽技术加以抑制，对传导性耦合采用滤波技术，即采用EMI滤波器件加以抑制。