电感器在轨道交通行业中的应用及原理
电感器在轨道交通行业中的应用及原理
轨道交通作为现代城市和城市群交通的骨干力量，以其大运量、效率高、低污染的特点，在缓解交通压力、促进区域经济发展方面发挥着重要作用。在轨道交通系统中，从列车的牵引动力到辅助设备的稳定运行，都离不开各类电子元件的协同工作，而电感器作为基于电磁感应原理的关键电子元件，在其中扮演着不可或缺的角色。
一、电感器在轨道交通行业中的应用场景
（一）牵引供电系统
滤波与谐波控制：轨道交通的牵引供电系统采用大功率电力电子器件，如变流器、逆变器等，这些器件在工作过程中会产生大量的高次谐波电流。电感器串联在牵引供电电路中，与电容组成 LC 滤波电路，能够有效滤除谐波电流，平滑电流波形，降低谐波对电网和列车设备的干扰。例如，在交流牵引供电系统中，通过合理配置电感器的电感值和电容参数，可将牵引网电流中的谐波含量控制在标准范围内，减少谐波对通信信号的干扰，保障列车运行安全 。
功率因数校正：牵引供电系统中的电力电子设备属于非线性负载，会导致系统功率因数降低，造成电能浪费并增加电网损耗。电感器在功率因数校正（PFC）电路中发挥关键作用，与电容、开关器件等组成 PFC 电路，通过调节电流相位，使电流与电压尽可能保持同相位，从而提高系统的功率因数。这不仅能减少无功功率传输，提高电能利用效率，还能降低对电网容量的需求，节约运营成本。
控制电流突变：列车在启动、制动和调速过程中，牵引电机的电流会发生剧烈变化，产生较大的电流冲击。电感器串联在牵引电机回路中，利用其阻碍电流变化的特性，控制电流的突变，平滑电流曲线。这有助于保护牵引变流器、电机等设备免受大电流冲击，延长设备使用寿命，同时也能减少对电网的冲击，保障供电系统的稳定性。
（二）辅助供电系统
电源滤波与稳压：轨道交通车辆的辅助供电系统为车内照明、空调、通风、控制系统等设备提供电力。电感器与电容组成的滤波电路可对辅助电源进行滤波，去除电源中的纹波和噪声，为车内设备提供稳定、纯净的电源。例如，在列车的 DC/DC 电源模块中，电感器通过储能和释能作用，配合电容平滑电压波动，确保输出电压稳定在规定范围内，满足不同设备的用电需求。
负载变化缓冲：车辆运行过程中，辅助设备的负载会不断变化，如空调压缩机的启停、照明设备的开关等。当负载发生突变时，电感器能够起到缓冲作用，控制电流的瞬间变化，避免因电流突变对电源和设备造成损害。同时，电感器还能协助电源快速响应负载变化，维持输出电压的稳定，保障车内设备正常运行。
（三）信号与通信系统
扼流圈隔离信号干扰：在轨道交通的轨道电路和信号传输系统中，扼流圈（一种特殊的电感器）用于隔离牵引电流和信号电流。扼流圈对牵引电流呈现高阻抗，阻止其进入信号电路，避免牵引电流对信号传输造成干扰；而对信号电流呈现低阻抗，确保信号能够顺利传输。通过这种方式，扼流圈实现了牵引供电系统与信号系统之间的电气隔离，保障信号传输的准确性和可靠性。
EMI 滤波：轨道交通车辆内部存在大量的电子设备和电力电子装置，这些设备在工作时会产生电磁干扰（EMI）。电感器与电容组成的 EMI 滤波电路可安装在电子设备的电源输入端和信号接口处，控制设备产生的电磁干扰向外界传播，同时也能防止外界电磁干扰进入设备内部，提高车辆电子设备的电磁兼容性，确保信号与通信系统稳定运行。
二、电感器在轨道交通行业中的应用原理
电感器的工作原理基于电磁感应定律。其主要结构由线圈和磁芯（部分电感器无磁芯）组成，当电流通过线圈时，线圈周围会产生磁场，磁场的变化又会在线圈中感应出电动势。根据楞次定律，感应电动势的方向总是阻碍电流的变化，这使得电感器具有 “通直流、阻交流，通低频、阻高频” 的特性。
电感器的感抗计算公式为，其中为感抗，单位是欧姆（Ω）；f为交流电的频率，单位是赫兹（Hz）；L为电感器的电感量，单位是亨利（H）。从公式可以看出，感抗与交流电频率和电感量成正比。对于直流电，由于频率f = 0，感抗 = 0，所以电感器对直流电几乎没有阻碍作用；而对于交流电，频率越高，感抗越大，电感器对其阻碍作用越强。
在轨道交通行业的实际应用中，正是利用电感器的这些特性实现不同功能。在滤波电路中，利用电感器阻碍交流成分的特性，与电容配合滤除电流中的谐波和干扰；在功率因数校正电路中，通过控制电感器的工作状态调节电流相位；在信号与通信系统中，利用电感器对不同频率信号的阻抗差异实现信号隔离和干扰控制 。
三、电感器在轨道交通行业中的应用原理图
在上述原理图中，左侧展示了城市电网的电能经牵引变电所后，通过电感器和电容组成的滤波电路，为列车牵引变流器和牵引电机提供纯净、稳定的电能。中间部分呈现了辅助电源通过电感器和电容滤波后，为车内设备供电的过程。右侧体现了轨道电路中扼流圈隔离牵引电流和信号电流，保障信号传输，以及电子设备通过 EMI 滤波电感和电容控制电磁干扰，确保信号接口正常工作的原理。
综上所述，电感器在轨道交通行业的牵引供电、辅助供电、信号与通信等系统中发挥着关键作用。通过合理应用电感器的电磁感应特性，实现了滤波、功率因数校正、电流控制、信号隔离等多种功能，保障了轨道交通系统的安全、稳定运行。