鐵路客車DC600V車下電源逆變器技術(shù)現(xiàn)狀分析及檢修維護

楊振寰

摘? 要：鐵路客車配屬的DC600V車下電源逆變器及充電機分別由常州新譽集團、武漢正遠、鐵科院、北京鼎漢等幾個廠家生產(chǎn)，目前DC600V車下電源逆變器盡管性能良好，但在使用中仍會出現(xiàn)一些問題，因此文章在分析鐵路客車DC600V車下電源逆變器技術(shù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，對電源逆變器的檢修維護進行分析。

關(guān)鍵詞：鐵路客車;DC600V;電源逆變器;技術(shù);檢修維護

中圖分類號：U279 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）29-0159-02

Abstract： The DC600V under-vehicle power inverter and charger for railway passenger cars are respectively produced by Changzhou Xinyu Group， Wuhan Zhengyuan， Railway Science Institute， Beijing Dinghan and other manufacturers. At present， although the performance of DC600V under-vehicle power inverter is good， there will be some problems in use. Therefore， based on the analysis of the technical status of DC600V under-vehicle power inverter of railway passenger cars， this paper analyzes the overhaul and maintenance of the power inverter.

Keywords： railway passenger cars; DC600V; power inverter; technology; maintenance

1 DC600V電源逆變器和充電機工作原理

鐵路客車由直供電機車從接觸網(wǎng)取電后，經(jīng)調(diào)頻調(diào)壓逆變器逆變、整流后，向其提供DC600V電源供給本車逆變器和充電機[1]。逆變器負責(zé)把DC600V變換成3×AC380V、50Hz交流電，主要為空調(diào)列車的空調(diào)機組、電開水爐等三相交流用電負載供電。相應(yīng)的設(shè)備和其他交流電源采用IGBT開關(guān)器件，開關(guān)具有頻率高、簡單、功耗低，近次諧波接近零等優(yōu)勢。逆變器使用LC濾波器以及EMI濾波器輸出來保證是純正弦波輸出技術(shù)，同時使用抗干擾技術(shù)，具有良好的電磁兼容性和可靠性[2]。輸入和輸出通過接觸器隔離，可以保障電源發(fā)生故障時，電氣系統(tǒng)自動實現(xiàn)隔離斷電。

DC600V/DC110V充電機是專門為裝有DC600V供電系統(tǒng)的客車設(shè)計的。該充電機通過高頻轉(zhuǎn)換將DC600V轉(zhuǎn)換為DC110V電流，為乘用車蓄電池提供浮動充電電源，同時為其它用電設(shè)備提供DC110V電源。

2 DC600V車下電源逆變器技術(shù)規(guī)章

2.1 DC600V/AC380V逆變電源

（1）軟啟動性能。在AC380V負載下，逆變器帶載啟動至穩(wěn)定輸出電壓下運行，最長持續(xù)時間不超過15秒。穩(wěn)定輸出電壓：三相380×（1±5%）V，頻率50Hz±1Hz。

（2）模擬過分相。當逆變器正常工作時，關(guān)閉600V電源，等待10秒后恢復(fù)600V電源輸入，逆變器應(yīng)在55-60秒內(nèi)正常啟動。（餐車30秒后開啟）。

（3）雙單元逆變器互備功能。當逆變器I的DC600V電源斷開時，模擬逆變器I不能正常工作，另一個正常逆變器II必須關(guān)閉。在30±3秒后，進行熱備轉(zhuǎn)換，逆變器II在負載下重新啟動。逆變器（I和II）的兩個輸出端子都裝有三相交流輸出，當逆變器II與DC600V電源斷開時，逆變器I必須能夠提供備用電源。

（4）輸入過壓保護。DC600V電源電壓連續(xù)5分鐘高于過電壓保護設(shè)定值（DC700V），逆變器系統(tǒng)停止輸出，發(fā)出故障信號，并在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送故障代碼。應(yīng)恢復(fù)DC600V的電源，當電壓正常時，應(yīng)正常啟動逆變電源，以消除硬線故障信號。在保護過程中，應(yīng)斷開主接觸器、預(yù)充電接觸器和輸出接觸器。

（5）輸入欠壓保護。DC600V的供電電壓低于輸入保護電壓（DC500V）保護的設(shè)定值，保護只通過網(wǎng)絡(luò)傳輸信息代碼，不向硬線發(fā)出信號。當輸入電壓升至540V±11V時，換向系統(tǒng)應(yīng)正常工作。在保護過程中，應(yīng)斷開主接觸器、預(yù)充電接觸器和輸出接觸器。

（6）輸出電壓穩(wěn)定精度。逆變器的輸入電壓為25%、50%、75%、100%和110%額定負載，并且輸出電壓值為每一級負荷穩(wěn)態(tài)精度應(yīng)低于2.5%。

（7）降頻降壓輸出。當輸入電壓在500V～540V范圍內(nèi)變化時，逆變器按控制V/f=380/50降壓降頻，最小輸出頻率至少為40Hz。

（8）三相電壓不平衡度。逆變器三相輸出電壓的平均值與最大值（或最小值）之比，在三相平衡負載條件下，不得超過平均值的2%。

2.2 DC600V/DC110V充電機

（1）蓄電池欠壓保護。連接蓄電池（或模擬供電負荷），使供電單元控制電路運行（或不使用DC600V供電），蓄電池開始放電，當蓄電池電壓在DC91±1V時，產(chǎn)生欠壓信號，欠壓繼電器保護;當蓄電池電壓在DC97±1V時，欠壓保護應(yīng)恢復(fù)。

（2）模擬過分相。當充電機正常運行，DV600V電源中斷10秒時，充電機應(yīng)滿足以下要求：從輸入電源電壓達到490V±5V開始到充電機正常輸出的時間不超過14秒。

（3）溫度補償充電性能。在充電器的額定工況下，在不受限制的充電狀態(tài)下，輸出電壓應(yīng)在115V至125V之間，并應(yīng)符合相應(yīng)的溫度補償曲線。氣溫在-20℃、20℃、50℃達到穩(wěn)定的輸出電壓：123V、120V、118V，精度為±1.2V電壓輸出。

（4）限流充電特性。充電機在運行時應(yīng)具有限流充電功能，限流保護值為300V。

（5）輸入過壓保護。DC600V的電源電壓大于輸入過電壓保護設(shè)定值（DC700V），連續(xù)5分鐘后，充電機進行輸入過電壓保護并關(guān)閉輸出。充電機在硬線上發(fā)出故障信號，并在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送故障代碼。DC600V的電源電壓恢復(fù)正常時，充電器必須正常啟動，以消除硬線故障信號。

（6）輸入欠壓保護。DC600V的電壓低于保護值，輸入DC500V和直流輸出的充電機不能滿足所需的技術(shù)條件時，需要停止輸出。欠壓保護只在網(wǎng)絡(luò)上傳輸錯誤代碼，不向硬線發(fā)出信號。當輸入電壓恢復(fù)正常時，充電器應(yīng)正常工作。

（7）負載沖擊性能。在額定輸入時，充電機應(yīng)能在50%超載和50%減負載穩(wěn)定運行時不停車或重新啟動。

3 DC600V車下電源逆變器檢修優(yōu)化

3.1 改裝置固定式為車載移動式

現(xiàn)有一部分逆變器安裝是固定的，對線路的布置和設(shè)備的未來維護提出了一定的要求[2]。結(jié)合實際的試驗過程，發(fā)現(xiàn)目前對試驗裝置的安裝位置比較苛刻。針對這方面的不足，提議將試驗裝置固定式改為車載移動式實驗小車，克服場地上的困難，不要求固定停車位置，快捷便利，也節(jié)省了檢修生產(chǎn)場地空間。

3.2 DC600V客車逆變器試驗臺的創(chuàng)新應(yīng)用

現(xiàn)階段鐵路部門對DC600V客車產(chǎn)品的需求量日益遞增，生產(chǎn)廠家也需要相應(yīng)的提高生產(chǎn)能力。其生產(chǎn)能力與DC600V客車逆變器的測試水平和測試效率有著十分重要的關(guān)系，原有的手動測試方式存在著如下弊端：效率低、設(shè)備多、規(guī)范性差、實時性差等。另外，按照鐵路總公司的要求，客車在A1、A2和A3檢修或故障維修時，需要對客車逆變器進行綜合試驗。所以從生產(chǎn)到維護，DC600V客車逆變器都改變原有測試方式，DC600V客車逆變器試驗臺應(yīng)運而生。

DC600V客車逆變器試驗臺的原理如下，在被測試逆變器的輸入側(cè)接外部供電電源提供的DC600V和DCll0V電源，輸出側(cè)則接負載電抗器和負載電阻。主控制臺對外部供電電源進行相應(yīng)的控制后，被測試逆變器能實現(xiàn)自動啟機。隨后電氣柜中的電壓和電流傳感器將供電電源及逆變器的電壓電流信號傳輸?shù)讲杉?，工控機通過采集卡進行數(shù)據(jù)收集和處理，顯示器上可以顯示出各個參量的數(shù)值和各硬件的控制狀態(tài)及工作狀態(tài)。同時通過空氣開關(guān)實現(xiàn)對電抗器、電阻負載控制接觸器的閉合與斷開功能。接下來按照鐵路總公司的試驗要求進行各項加載試驗，試驗完成后可以對試驗數(shù)據(jù)進行存儲和管理，并按要求打印出試驗報告。計算機對整個過程的控制可以減少人為錯誤[3]，通過智能計算提高整個過程的效率。

4 DC600V車下電源常見問題檢修維護

4.1 IGBT的一般故障原因分析

IGBT作為開關(guān)器件，具有開關(guān)頻率高、驅(qū)動簡單、損耗低等優(yōu)勢。由六個IGBT組成的三相橋式逆變電路是逆變器的核心[4]，DC600V可以經(jīng)此電路逆變?yōu)槿嗳€的380V正弦交流電。IGBT產(chǎn)生故障將會使逆變器I或逆變器Ⅱ無輸出，客車電氣裝置無法正常工作，出現(xiàn)這種情況主要是因為IGBT的工作特性導(dǎo)致。IGBT的接通與斷開是由柵極電壓來控制的，當在柵極施加正向電壓時 MOSFET內(nèi)形成通道，為PNP晶體管提供基極電流，進而使IGBT導(dǎo)通。當在柵極上施加反向電壓時 MOSFET的通道消除，PNP晶體管和基極電流被切斷，IGBT即被斷開。

造成IGBT故障的原因一般有：環(huán)境溫度過高使集電極損壞，集電極超出安全工作區(qū)間導(dǎo)致IGBT損壞、瞬態(tài)過電流導(dǎo)致IGBT損壞、過電壓造成集電極發(fā)射極擊穿或造成柵極發(fā)射極擊穿。IGBT模塊故障多在夏季，尤其是燒壞的故障率偏高，主要原因是由于防水防塵的需要，車下逆變器主電路外鐵盒是密封的，當電流過大時引起瞬時過熱，會使IGBT模塊因散熱不良導(dǎo)致的持續(xù)高溫而損壞。一般情況下流過IGBT的電流過大、開關(guān)頻率較高，故器件的損耗較大，若熱量不能及時散掉，IGBT模塊的溫度將會超過最大值125℃。實際應(yīng)用時，一般允許的最高溫度為125℃左右。因此，逆變器在夏季的使用中，應(yīng)特別注意保證逆變器的散熱條件。

4.2 逆變器充電機降頻降壓故障分析

在現(xiàn)有DC600V直供電客車中，逆變器充電機運行過程中會出現(xiàn)輸出數(shù)據(jù)內(nèi)部電壓交流電和交流頻率降頻降壓，或顯示故障代碼“08”的故障現(xiàn)象，雖然不影響逆變器和充電機的正常工作，但是對客車行車安全始終存在隱患。通過對設(shè)備的多次測定，比較之下，發(fā)現(xiàn)電源逆變器制造廠家生產(chǎn)的批次不同，直接影響到此類問題的出現(xiàn)。通過聯(lián)系設(shè)備的生產(chǎn)廠家技術(shù)人員進行現(xiàn)場檢查后，對該批次車輛的車下電源逆變器充電機主控板的電源軟件進行了重新編程系統(tǒng)升級，最終問題得到了解決。

5 結(jié)束語

本文對DC600V車下電源逆變器技術(shù)現(xiàn)狀及檢修維護進行分析，使用過程中對現(xiàn)有的缺陷進行認真鉆研，提出整改方案。使我們能夠?qū)δ孀兤鞯南嚓P(guān)故障及引起故障的原因進行精準的判斷。至于DC600V車下電源逆變器已經(jīng)完成的優(yōu)化設(shè)計，必須對其漏洞進行快速的反饋，對其使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題不斷加以改進，這樣才能夠使逆變器工作的穩(wěn)定性及可靠性得到進一步提高。

參考文獻：

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[4]張軍，卞清.基于IGBT的逆變器驅(qū)動電路設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2011（3）：103-105.