AC10型電動(dòng)列車輔助逆變器故障分析

施佳偉

（上海交通大學(xué)自動(dòng)化系，200240，上?！沃砉こ處煟?/p>

列車輔助逆變器的主要目的是將直流電壓轉(zhuǎn)換為擁有恒定幅度和頻率的三相交流電，為制動(dòng)系統(tǒng)的空氣壓縮機(jī)、列車設(shè)備內(nèi)部冷卻風(fēng)扇、客室及司機(jī)室空調(diào)等三相負(fù)載供電。由于輔助逆變器的工作狀態(tài)是否良好嚴(yán)重影響到列車運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，故及時(shí)排除輔助逆變器故障就成為檢修的重要任務(wù)。本文對(duì)AC10型電動(dòng)列車輔助逆變器在運(yùn)行中出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，確定其原因。

1 輔助逆變器簡(jiǎn)介

1.1 輔助逆變器供電原理

輔助逆變器模塊（Auxiliary Converter Module，簡(jiǎn)為ACM）安裝于動(dòng)車，由其將觸網(wǎng)1 500V直流電逆變?yōu)槿?0Hz 660V交流電，再通過三相變壓器轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的三相50Hz 380V交流電提供給負(fù)載，如圖1所示。

圖1 輔助逆變器模塊供電原理

1.2 輔助逆變器的結(jié)構(gòu)組成

輔助逆變器主要由輸入電流和電壓檢測(cè)模塊、電容模塊、放電電阻模塊、過壓保護(hù)模塊、逆變模塊、輸出電流檢測(cè)模塊等6部分組成，如圖2所示。其中，輸入電流和電壓檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)對(duì)ACM的輸入電壓、電流進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)過壓或過流現(xiàn)象，過壓保護(hù)模塊將動(dòng)作，使ACM軟關(guān)斷，同時(shí)通過電阻將能量消耗掉；輸出電流檢測(cè)模塊檢測(cè)輸出的二相電流，若發(fā)生三相系統(tǒng)過載或者短路、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）擊穿等故障，則使ACM保護(hù)性關(guān)斷；電容模塊用以穩(wěn)定直流輸入電壓、吸收負(fù)載無(wú)功功率、減小對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾。

圖2 輔助逆變器結(jié)構(gòu)組成

1.3 逆變工作原理

AC10型電動(dòng)列車輔助逆變器采用三相橋式電壓型逆變器（圖3所示為單相橋式逆變電路），通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信號(hào)至GDU（門極驅(qū)動(dòng)單元）模塊，控制IGBT的開關(guān)斷。逆變電壓波形如圖4所示。

圖3 三相橋式逆變電路

圖4 逆變電壓波形

2 輔助逆變器的監(jiān)控和保護(hù)功能

AC10型電動(dòng)列車輔助逆變器采用網(wǎng)絡(luò)控制，通過各種傳感器采集數(shù)據(jù)，對(duì)輔助系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、保護(hù)。輔助系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

為了在啟動(dòng)大負(fù)載（如壓縮機(jī)等）時(shí)啟動(dòng)電流不至于過大，輔助系統(tǒng)采取了限制交流電流的措施，通過控制交流輸出電壓將交流電流限制在安全級(jí)別上。同時(shí)，對(duì)相關(guān)的電流、電壓和溫度進(jìn)行監(jiān)視，以確保它們的輸出值在容許范圍內(nèi)。輔助系統(tǒng)的電源電路元件如三相電抗器和變壓器也采取適當(dāng)?shù)拇胧┻M(jìn)行保護(hù)。

圖5 輔助系統(tǒng)控制框圖

重要的保護(hù)功能包括：電流保護(hù)，IGBT過流保護(hù)，IGBT轉(zhuǎn)換故障探測(cè)，IGBT溫度過高保護(hù)，直流線路過壓保護(hù)，輔助系統(tǒng)接地故障，輔助負(fù)載電壓保護(hù)，接觸器監(jiān)測(cè)。

3 輔助逆變器典型故障

3.1 故障事件

2010年6月17日8：09，上海軌道交通7號(hào)線0733車駕駛員報(bào)列車在耀華路站上行高速開關(guān)斷開，手動(dòng)分合成功；8：16，駕駛員報(bào)718次0733車錦繡路站上行2個(gè)輔助逆變器紅色，4個(gè)高速開關(guān)分，無(wú)法動(dòng)車；8：20，0733車處理無(wú)效，調(diào)度所指導(dǎo)駕駛員采用緊急牽引方式動(dòng)車；8：21，駕駛員報(bào)0733以緊急牽引方式可以動(dòng)車，但車速僅1km／h。8：22，調(diào)度命令清客并做好救援準(zhǔn)備；8：23，駕駛員切除ATP（列車自動(dòng)防護(hù)）后，HMI（人機(jī)界面）報(bào)多種故障；8：26，清客完畢，8：32，故障車救援至龍陽(yáng)路停車庫(kù)。

3.2 故障現(xiàn)象

檢修人員上車檢查發(fā)現(xiàn)：

（1）0733號(hào)列車于8：03在60km／h制動(dòng)工況下，在128ms內(nèi)觸網(wǎng)網(wǎng)壓從1 671V瞬間上升到2 188V，導(dǎo)致列車4個(gè)高速開關(guān)跳開且2個(gè)輔助逆變器保護(hù)性關(guān)斷（見圖6）。

圖6 網(wǎng)壓瞬間升高輔助逆變器、高速開關(guān)跳開

（2）8：03時(shí)2個(gè)輔助逆變器保護(hù)性關(guān)斷使列車無(wú)三相380V交流電輸出，導(dǎo)致4個(gè)牽引系統(tǒng)的通風(fēng)風(fēng)扇無(wú)法工作，致使8：09時(shí)4個(gè)牽引逆變器報(bào)過溫故障。8：12列車因牽引系統(tǒng)溫度過高而全部保護(hù)性關(guān)斷，列車無(wú)法牽引（見圖7）。

圖7 牽引系統(tǒng)因溫度過高保護(hù)性關(guān)斷

3.3 故障分析

經(jīng)分析認(rèn)為，7號(hào)線正線觸網(wǎng)為剛性觸網(wǎng)（見圖8），在2根鋁合金鋁排過渡處錨段關(guān)節(jié)觸網(wǎng)條件不是很好，與受電弓碳滑板處于非平行狀態(tài)，導(dǎo)致列車通過時(shí)產(chǎn)生跳弓現(xiàn)象。

圖8 7號(hào)線剛性觸網(wǎng)

由于跳弓時(shí)列車處于60km／h電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)的反饋能量最大，列車再生制動(dòng)產(chǎn)生的反饋電壓直接全部加載在輔助逆變器上，導(dǎo)致輔助逆變器報(bào)過壓故障，過壓保護(hù)模塊開始工作（見圖9），能量由OVP（過壓保護(hù)）電阻消耗。雖然之后電壓恢復(fù)正常，但OVP電阻卻未降到標(biāo)準(zhǔn)溫度，最終導(dǎo)致ACM隔離。

圖9 輔助逆變器過壓保護(hù)模塊

ACM隔離后，牽引系統(tǒng)內(nèi)部風(fēng)扇因無(wú)380V電源不能工作，最終導(dǎo)致牽引箱內(nèi)部溫度升高，MCM（牽引電機(jī)逆變模塊）隔離（見圖7）。

3.4 故障解決

此故障的關(guān)鍵在于OVP電阻的溫度未降到標(biāo)準(zhǔn)值。為此，從軟件、硬件兩個(gè)方面來解決。

3.4.1 軟件方面

（1）輔助逆變器OVP參數(shù)設(shè)置：當(dāng)網(wǎng)壓上升到2 050V時(shí)OVP開始工作，網(wǎng)壓下降到2 000V時(shí)OVP停止工作（見圖10）。當(dāng)OVP溫度小于440℃，輔助逆變器允許重新啟動(dòng)（原先為225℃）；當(dāng)OVP溫度大于450℃，輔助逆變器將保護(hù)性關(guān)斷（見圖11）。

圖10 OVP工作參數(shù)（網(wǎng)壓）

圖11 OVP工作參數(shù)（溫度）

（2）牽引逆變器制動(dòng)斬波器工作參數(shù)設(shè)置：當(dāng)輔助逆變器報(bào)“OVP電阻過溫”時(shí)，若列車施加常用制動(dòng)，牽引系統(tǒng)將停止使用再生制動(dòng)而采用電阻制動(dòng)；當(dāng)OVP電阻溫度恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，牽引系統(tǒng)恢復(fù)到可使用再生制動(dòng)。

3.4.2 硬件方面

可更改OVP電阻，加快放電過程。

電阻電容放電計(jì)算公式為：

式中：

V0——電容上的初始電壓值；

V1——電容最終可充到或放到的電壓值；

Vt——t時(shí)刻電容上的電壓值。

由上式可知，電阻越小，放電時(shí)間越短。因此，采取了再并聯(lián)多組OVP電阻，使電阻減小到R＝0.5Ω（見圖12）的措施。此后的運(yùn)行中，未再發(fā)生此類故障。

圖12 硬件改動(dòng)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)上海軌道交通7號(hào)線發(fā)生的一起輔助逆變器故障進(jìn)行了分析，確定其原因?yàn)檎€剛性觸網(wǎng)在2根鋁合金鋁排過渡處錨段關(guān)節(jié)觸網(wǎng)條件不是很好，與受電弓碳滑板處于非平行狀態(tài)，導(dǎo)致列車通過時(shí)產(chǎn)生跳弓現(xiàn)象，從而進(jìn)一步導(dǎo)致輔助逆變器關(guān)斷。為此從軟件和硬件兩方面采取了解決措施。此后的實(shí)際運(yùn)行表明，所提出的解決方案效果良好。

［1］陳伯時(shí)，陸敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］黃繼榮.電力牽引交流傳動(dòng)與控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［3］Bombardier Transport.3EST000214－1101＿Propulsion and auxiliary systems［G］.上海：上海地鐵維護(hù)保障中心車輛公司，2010.

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