寧波地鐵4號線空調(diào)壓縮機變頻器故障分析與技術(shù)改進

葛志云

摘要：空調(diào)機組壓縮機變頻器是城市軌道交通車輛極其重要元器件之一，其主要作用是根據(jù)空調(diào)控制器指令，輸出不同頻率的三相電源供給變頻壓縮機，使壓縮機根據(jù)車廂內(nèi)冷量或熱量需求運行在不同頻率，輸出相對應的制冷、制熱能力。當空調(diào)變頻器出現(xiàn)問題無法正常工作時，將會直接影響空調(diào)機組能否正常運行，因此對三相電壓監(jiān)控繼電器進行故障技術(shù)分析與改造十分具有重要性與必要性。

關(guān)鍵詞：日立變頻器;空調(diào)機組;載波頻率;尖峰電壓

引言

寧波地鐵4 號線共有36 列車，每列車配有12 臺變頻空調(diào)機組，每臺空調(diào)機組均配有2個壓縮機變頻器用于調(diào)控壓縮機的制冷、制熱能力。寧波地鐵4號線在調(diào)試運營過程中，發(fā)生多起因變頻器故障引起空調(diào)機組無法正常工作的故障，因此十分有必要對現(xiàn)行的壓縮機變頻器進行故障分析與改進，降低車輛故障率，提高空調(diào)機組安全平穩(wěn)運行性能。

1? 原因分析

寧波 4 號線車輛調(diào)試運營期間共計發(fā)生多起空調(diào)變頻器故障，空調(diào)機組控制盤主回路斷路器F1/2和對應漏電保護FEL1/2（圖1紅框標記）發(fā)生偶發(fā)性跳斷現(xiàn)象。由于主斷路器和漏電保護同時跳開，判斷為漏電保護器FEL1/2跳斷帶動住斷路器F1/2跳開，空調(diào)機組漏電流太大，導致FEL1/2跳斷，進而帶動F1/2一起斷開。

1.1 現(xiàn)場調(diào)查測試

用示波器電流鉗夾住F2上端三相電進線（見圖2），使用PTU開啟一臺壓縮機，測得漏電流值在110～170mA（見圖3）之間波動;開啟兩臺壓縮機，測得漏電流在220mA左右，偶爾出現(xiàn)284mA尖峰值（見圖4）。用介電測試儀對通風機、冷凝風機、壓縮機做介電測試，測得漏電流值<5mA，因此漏電流主要是由變頻器運行過程中產(chǎn)生。

1.2? 深入原因分析

變頻器輸出是以PWM（脈寬調(diào)制，類似高速開關(guān)）方式控制，輸出電壓為高頻方波，導致壓縮機內(nèi)部線圈與外殼之間、線纜與地之間有等效電容存在，從而產(chǎn)生泄漏電流。

漏電保護器的漏電電流等級為300mA，略大于兩臺變頻器運行時的漏電流值，考慮到元器件數(shù)值誤差，機組運行環(huán)境的影響，可能會導致漏電保護器發(fā)生跳斷現(xiàn)象。

2.1? 優(yōu)化方案

理論上 IGBT 的開關(guān)頻率越高，漏電流值越大;反之，IGBT 的開關(guān)頻率越低，漏電流值就越小。因此通過降低 IGBT 的開關(guān)頻率值，可以有效的降低漏電流值。同時降低 IGBT 開關(guān)頻率會有以下影響：

a） 降低載波頻率減少變頻器功耗。變頻器中主要應用功率模塊 IGBT 的功率損耗與載波頻率有關(guān)，且隨載波頻率的提高功率損耗增大。這樣一則使效率下降，二則使功率模塊發(fā)熱增加，對運行不利。載波頻率越小，變頻器的損耗越小，輸出功率越大。

b） 降低載波頻率減少變頻器輸出電流平滑程度。變頻器的逆變部分是由 IGBT 通過正弦脈寬調(diào)制（SPWM）后，通過電機繞組，形成呈正弦波的電流波形。那么載波頻率的大小直接影響輸出電流波形的好壞，以及干擾的大小，當載波頻率高時，電流波形正弦性好，而且平滑。降低載波頻率將減少變頻器輸出電流平滑程度，增加毛刺。

c） 降低載波頻率增加壓縮機噪音。變頻器的輸出電壓、電流中都含有一定分量的高次諧波，使電動機氣隙的高次諧波磁通增加，所以噪聲變大。降低載波頻率會增加壓縮機噪音。經(jīng)實驗測試。

d） 降低載波頻率增加壓縮機絕緣壽命。載波頻率越高每秒鐘產(chǎn)生的尖峰電壓數(shù)量越多，對電機的沖擊次數(shù)也越多。很高的電壓上升率在壓縮機繞組上產(chǎn)生不均勻的電壓分布，長時間重復性的過快的電壓變化將使壓縮機繞組匝間絕緣過早破壞，因此降低載波頻率可以增加壓縮機絕緣壽命。

2.2? 空調(diào)機組電磁兼容測試

磁場試驗是為了驗證車輛所有的車載設(shè)備在車輛的電磁環(huán)境中能可靠工作，功能和性能不受影響，而且不得影響沿線其他設(shè)備系統(tǒng)。更重要的是，車輛產(chǎn)生的電磁環(huán)境不得對人體形成危害。由于空調(diào)變頻器頻率調(diào)整，對局部空間重新進行磁場測試。車輛處于靜止狀態(tài)，車輛在測量過程中牽引逆變器通電但不工作，輔助電路正常工作及所有相關(guān)設(shè)備運轉(zhuǎn)（如空調(diào)/加熱器、照明、窗加熱器、充電機等），對三軸方向磁場進行持續(xù)時間 30～60s測量。測試結(jié)果如下所示：

4? 結(jié)語

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，在兩臺空調(diào)機組高頻率運行時，由于載波頻率高，導致通過漏電保護器的漏電流值超過了限制值，漏電保護器跳開，從而帶動主斷路器跳開，空調(diào)無法運作。將空調(diào)載波頻率從9K降至4K后，在車間運轉(zhuǎn)實驗室長時間運轉(zhuǎn)并多次啟動更改載波頻率后的空調(diào)機組，漏電保護器無跳斷現(xiàn)象，用示波器測得漏電流值一直穩(wěn)定在120mA～220mA之間，并且通過電磁兼容測試表明，更改載波頻率符合整列車的電磁兼容要求，驗證了此方案在確保機組穩(wěn)定運行前提下的可行性。降低載波頻率空調(diào)功能正常，運營至今再無此類故障發(fā)生。

參考文獻

[1]王文質(zhì)，李勇，康偉，等. 城市軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)[J]. 上海： 城市軌道交通研究， 2003， 6（2）： 60-65.

（作者單位：寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司）