地鐵車輛輔助逆變器工作原理及典型故障分析

牟文博

(西安市軌道交通集團有限公司運營分公司 陜西 西安 710016)

0 引言

西安地鐵二號線車輛輔助逆變器(以下簡稱“SIV”)，具有把1 500 V直流電變?yōu)?相380 V交流電，提供200 kVA電力的功能。車輛上除動力用電(即牽引電機所需要的電)是通過牽引逆變器提供外，其他設(shè)備用電均是通過車輛輔助逆變器對接觸網(wǎng)的電進行轉(zhuǎn)化，然后通過輔助供電系統(tǒng)進行供給的。為提高輔助供電系統(tǒng)的可靠性及安全性，輔助供電系統(tǒng)須設(shè)置一套完整的保護體系，最大化地使其發(fā)揮作用。

西安地鐵二號線車輛輔助電源系統(tǒng)及設(shè)備主要布置在Tc(帶司機室的拖車)車上，每列車共含有2套輔助電源系統(tǒng)設(shè)備，主要包括輔助熔斷器箱、輔助開關(guān)箱、啟動開關(guān)箱、輔助電源裝置(SIV裝置)和整流裝置及配套布置在T(拖車)車上的擴展供電箱組成整列車輔助電源系統(tǒng)[1]。

1 SIV簡介

西安地鐵二號線車輛由中車長春軌道客車股份有限公司制造。列車采用3動3拖，不銹鋼車體B2型車，最高運行速度為80 km/h。SIV是由日立永濟電氣設(shè)備(西安)有限公司設(shè)計制造，具有把1 500 V直流電變?yōu)?相380 V交流電，提供200 kVA電力的功能。SIV裝置容量為185 kVA/臺(200 kVA/臺)，具備以下特征：(1)主電路半導(dǎo)體元件采用IGBT；(2)高頻開關(guān)具有低噪音特點；(3)用純水冷卻元件，保護環(huán)境。

2 SIV工作原理

輔助電源系統(tǒng)又稱輔助系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)，由列車DC1 500 V通過高壓母線向列車輔助電源系統(tǒng)供電。輔助電源系統(tǒng)設(shè)備主要由輔助電源裝置、輔助隔離開關(guān)箱、輔助熔斷器和擴展供電箱等構(gòu)成。輔助電源系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，列車獲取DC1 500 V高壓，經(jīng)直流濾波電路濾除線網(wǎng)的干擾諧波，再由輔助逆變器逆變成準正弦波和交流濾波器濾波后，使用工頻變壓器得到3相AC380 V電壓。同樣，可根據(jù)列車使用不同的電壓，再轉(zhuǎn)換成DC110 V和DC24 V等電壓種類需求[2]。

圖1 輔助電源系統(tǒng)工作原理圖

輔助電源系統(tǒng)根據(jù)主電路的功能，主要由輸入濾波電路(濾波電抗器DCL和濾波電容器DCC)、電容充放電電路、輔助逆變電路、交流濾波電路(交流濾波電抗器ACL和交流濾波電容器ACC)、輸出變壓器電路(又稱電氣隔離電路)、輸出接觸器、信號檢測電路(電壓/電流檢測電路)等部分組成，如圖2所示。

圖2 輔助系統(tǒng)原理圖

3 SIV系統(tǒng)重點故障含義

西安地鐵二號線車輛信息裝置(以下簡稱“ATI”)可檢測的SIV系統(tǒng)故障共有24條，下面就常見故障進行解釋說明。

(1)輸入過電流：當逆變器的輸入電流超過設(shè)定的標準值時，判斷為輸入電流，同時斷開IvLB和IvHB，保護主電路電氣零部件。

(2)轉(zhuǎn)流失敗：在規(guī)定的時間內(nèi)，控制單元發(fā)出的門極指令信號和門極驅(qū)動板反饋的信號不一致，則判斷為轉(zhuǎn)流失敗故障。轉(zhuǎn)流失敗包括逆變器轉(zhuǎn)流失敗(CFDI)和IvHB轉(zhuǎn)流失敗(CFDH)。

(3)逆變器過電流：SIV電源裝置在工作過程中，控制單元實時檢測逆變器的輸出電流值，當檢測的瞬時值大于設(shè)定的標準值時，則判斷為逆變器過電流。

(4)相電流不平衡：SIV電源裝置在工作過程中，控制單元實時檢測逆變器的輸出電流值，當檢測到電流差超過設(shè)定的標準值時，則判斷為相電流不平衡。

(5)控制電源欠壓：SIV電源裝置的控制單元在工作過程中，當檢測到各個控制電源電壓低于設(shè)定的標準值時，則判斷為控制電源欠壓。控制電源欠壓包括門極電源欠壓、DC110 V欠壓、DC5 V欠壓、DC+15 V欠壓、DC-15 V欠壓和DC24 V欠壓。

(6)濾波電容器充電異常：SIV電源裝置起動時，主電路接觸器IvLB接通后，在規(guī)定的時間內(nèi)，濾波電容器的電壓值低于設(shè)定的標準值時，判定濾波電容器充電異常。

(7)輸出過電壓：SIV電源裝置在工作過程中，負載側(cè)輸出電壓的瞬時值超過設(shè)定的標準值時，判斷為輸出過電壓。

(8)輸出過電流：SIV電源裝置在工作過程中，在一定時間內(nèi)，負載側(cè)輸出電流值超過設(shè)定的標準值時，判斷為輸出過電流。

(9)IGBT溫度異常：SIV電源裝置在工作過程中，控制單元檢測熱敏電阻的溫度并進行處理和演算，當計算值超過設(shè)定的標準值時，判定為IGBT溫度異常。IGBT溫度異常包括IGBT逆變器溫度異常和IvHB溫度異常。

(10)HK動作異常：當控制單元發(fā)出HK分斷指令或閉合指令后，在一定時間內(nèi)，HK不能斷開或不能閉合時，判定為HK動作異常。

4 典型故障分析及整改方案

西安地鐵二號線車輛SIV系統(tǒng)自2016年使用以來，出現(xiàn)了逆變器過電流(簡稱“INVOCD”)、逆變器溫度過高(THDI)、相電流不平衡(PUD)等問題，嚴重影響了地鐵車輛的運行安全。

經(jīng)統(tǒng)計，2016年1月至2018年8月間，西安地鐵二號線車輛共發(fā)生SIV系統(tǒng)故障51件，具體如圖3所示。

其中，故障為逆變器過電流的占41%，逆變器溫度過高的故障占18%，相電流不平衡故障占17%，下面針對這3類多發(fā)的故障進行分析。

圖3 DKZ75型電客車SIV系統(tǒng)故障分布圖

4.1 逆變器過電流(INVOCD)

4.1.1故障檢測原理

逆變器過電流，其檢測條件或故障發(fā)生時的判定標準為：SIV電源裝置在工作或起動的過程中，控制單元通過電流傳感器(CTUx1、CTVx1和CTWx1)實時檢測逆變器的輸出電流值，當檢測的瞬時值大于550 A時，判斷為逆變器過電流，斷開IvLB和IvHB，保護主電路。

4.1.2原因分析

INVOCD故障是比較復(fù)雜的故障保護，所以涉及的原因和故障現(xiàn)象較多，現(xiàn)通過對INVOCD故障原因的多種可能進行歸納，整理故障的調(diào)查方法和調(diào)查思路。INVOCD故障可能原因和調(diào)查部件如表1所示。

表1 INVOCD故障可能原因和對應(yīng)部件

通過對西安地鐵二號線車輛SIV功率單元、電流傳感器、控制單元部位的故障調(diào)查、電磁接觸器HK的狀態(tài)調(diào)查以及INVOCD故障標準監(jiān)視數(shù)據(jù)的分析，最終確認為HK異常工作導(dǎo)致INVOCD故障保護的發(fā)生，更換新件HK后車輛狀態(tài)恢復(fù)正常。對故障件HK進行接觸電阻測試和線圈電阻測試，結(jié)果為HK使用壽命周期導(dǎo)致，判定HK本體故障。

4.1.3整改措施

(1)結(jié)合HK壽命周期，提前組織更換，此外作為運用單位需統(tǒng)籌考慮備件的庫存。

(2)借助HK檢驗測試驗臺，對影響HK本體壽命的故障點進行逐項分析，深入研究壽命周期。同時，為地鐵車輛的采購提供參考，盡量將類似關(guān)鍵部件壽命周期與車輛架大修緊密結(jié)合。

4.2 逆變器溫度過高(THDI)

4.2.1故障檢測原理

逆變器溫度過高，簡稱“THDI”，其檢測條件或故障發(fā)生時的判定標準：當SIV內(nèi)IGBT周圍的熱敏電阻檢測到溫度值大于85 ℃(軟件升級后變?yōu)?0 ℃)后，系統(tǒng)判斷為動力單元溫度上升，ATI報“動力單元溫度上升異常(逆變器)(THDI)”故障。正線運營出現(xiàn)此故障后系統(tǒng)自動復(fù)位，當SIV重新啟動后60 s內(nèi)，再次發(fā)生此故障，則須通過按壓VVVF/SIV復(fù)位開關(guān)進行復(fù)位操作。

4.2.2原因分析

THDI故障是比較復(fù)雜的故障保護，涉及的原因和故障現(xiàn)象較多，故障可能原因有以下幾種：

(1)環(huán)境因素導(dǎo)致過溫狀態(tài)未恢復(fù)；

(2)軟件存在異常，導(dǎo)致故障后不能啟動；

(3)微機異常，導(dǎo)致不能啟動；

(4)溫度采樣硬件電路異常，導(dǎo)致過溫狀態(tài)不能恢復(fù)。

通過下載故障數(shù)據(jù)進行分析，故障數(shù)據(jù)波形如圖4、5 所示。

圖4 故障數(shù)據(jù)波形1

從圖4、圖5可以看出：在故障前，輔助逆變器輸出電壓、輸出電流以及頻率均無異常；故障后，逆變器輸出電壓、輸出電流及輸出頻率降低至零，濾波電容電壓略有抬升，由故障數(shù)據(jù)未能發(fā)現(xiàn)SIV異常。

圖5 故障數(shù)據(jù)波形2

通過對可能產(chǎn)生故障的部位逐項調(diào)查，最終確認在逆變器溫度過高故障發(fā)生時，由于控制軟件對手動復(fù)位信號與自動復(fù)位信號的邏輯處理存在漏洞，導(dǎo)致在第一次逆變器溫度過高時不能自動復(fù)位，按壓VVVF/SIV復(fù)位開關(guān)進行復(fù)位操作，故障也不消失。

4.2.3整改措施

(1)若再發(fā)生過溫故障后，如不能重新啟動，司機可斷開SIV控制空氣開關(guān)進行復(fù)位，實現(xiàn)輔助逆變器正常啟動。

(2)通過修改軟件存在的漏洞，使得手動復(fù)位優(yōu)先，這樣便能保證在需要自動復(fù)位時，若進行手動復(fù)位，輔助變流器仍然能夠正常啟動。

(3)軟件更新時，作為運用單位為保證行車安全，需先安排部分車輛進行刷新，然后跟蹤效果，確定無異常后再進行所有車輛的軟件更新。

(4)深入研究SIV內(nèi)的IGBT性能，提高系統(tǒng)溫度保護值。

4.3 相電流不平衡(PUD)

4.3.1故障檢測原理

相電流不平衡簡稱“PUD”，其檢測條件或故障發(fā)生時的判定標準為：SIV電源裝置在工作的過程中，控制單元通過電流傳感器(CTUx1、CTVx1和CTWx1)實時檢測逆變器的輸出電流值，當檢測到相間電流差超過50 A時，判斷為相電流不平衡，斷開IvLB和IvHB，保護主電路。

4.3.2原因分析

PUD故障是比較復(fù)雜的故障保護，涉及的原因和故障現(xiàn)象較多，現(xiàn)對PUD故障原因的多種可能進行羅列和小結(jié)，整理故障的調(diào)查方法和調(diào)查思路。PUD故障可能原因和調(diào)查部件如表2所示。

通過對可能產(chǎn)生故障的部位逐項調(diào)查，最終確認是ACC電容容量嚴重衰竭所致。由于ACC電容是交流濾波電容，作用之一為濾掉高頻諧波，使輸出電壓的波形為正弦波，另一個作用就是平衡相間電壓，該電容里面有3個電容器，如果有電容損壞，就會導(dǎo)致三相電壓不平衡，發(fā)生PUD故障。

表2 PUD故障可能原因和對應(yīng)部件

4.3.3整改措施

(1)更換故障車ACC電容后，進行空級試驗及高壓加載驗證，功能良好。

(2)根據(jù)故障發(fā)生特點，結(jié)合各類修程，定期對車輛SIV箱ACC電容貼溫度貼紙，通過檢查SIV箱ACC電容器溫度貼紙，當溫度達到或超過70 ℃時及時更換電容，可有效預(yù)防故障的發(fā)生。

5 結(jié)束語

西安地鐵二號線車輛自運營以來，發(fā)生多起SIV系統(tǒng)典型故障，經(jīng)過調(diào)查與分析，提出了有效的整改方案，取得了顯著效果，提高了車輛服務(wù)質(zhì)量，保證了地鐵車輛平安運營。

上文通過系統(tǒng)地梳理、研究SIV系統(tǒng)故障，一方面從現(xiàn)場運用的角度為同行業(yè)提供了參考依據(jù)；另一方面為設(shè)計、生產(chǎn)廠家提出了產(chǎn)品設(shè)計、研究的新思路，進而提高產(chǎn)品自身性能，保證行車安全。