鐵路客車單相逆變器交流濾波電容故障保護(hù)策略研究

耿 巖， 李 博， 張 波， 黎梅云

(1. 中國鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010057；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

鐵路客車單相逆變器主要為本車的插座提供AC 220 V/50 Hz單相交流電源，其可靠性直接影響本車乘客插座連接負(fù)載的安全穩(wěn)定，甚至影響乘客的用電安全。

F101、F102.熔斷器；KM101、KM102.接觸器；R101、R102.電阻；L101、L102.交流電抗器；C101、C104、C105、C106、C107、C108.電容；Q101～Q103.IGBT橋臂；T101.工頻隔離變壓器。圖1 鐵路客車單相逆變器主電路原理圖

在列車運(yùn)用過程中，因?yàn)閱蜗嗄孀兤鞯膬?nèi)部器件本身故障、輸入電源或負(fù)載異常等原因，可能會(huì)導(dǎo)致輸出產(chǎn)生過電壓，引發(fā)用電安全。因而，單相逆變器輸出側(cè)過電壓保護(hù)策略的全面可靠尤為重要。

近年來，鐵路客車單相逆變器多次發(fā)生過因交流濾波電容故障導(dǎo)致輸出過電壓燒毀負(fù)載的問題。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，單相逆變器在發(fā)生交流濾波電容故障后，輸出電壓升高，超出技術(shù)要求，但未觸發(fā)輸出過壓保護(hù)動(dòng)作，仍持續(xù)工作最終導(dǎo)致負(fù)載過壓燒損。

本文將探討這類故障產(chǎn)生的機(jī)理以及現(xiàn)行保護(hù)失效的原因，并研究有效的保護(hù)策略。

1 工作原理

主流的鐵路客車單相逆變器為統(tǒng)型產(chǎn)品，其主電路原理圖如圖1所示。

鐵路客車單相逆變器的設(shè)計(jì)參數(shù)遵循TJ/CL251—2012《鐵道客車DC 600 V電源裝置技術(shù)條件》 中的要求。

單相逆變器將輸入的DC 110 V直流電壓經(jīng)boost升壓整流電路變換輸出穩(wěn)定的DC 350 V直流電壓，經(jīng)全橋逆變電路轉(zhuǎn)換為交變脈沖電壓，通過LC輸出濾波器濾除交變脈沖電壓中的高頻部分，由工頻隔離變壓器隔離輸出AC 220 V/50 Hz交流電壓。

如圖1所示，C107、C108為交流濾波電容，與交流電抗器L102構(gòu)成交流輸出LC濾波電路，TV103為有效值電壓傳感器。

2 交流濾波電容開路試驗(yàn)分析

依據(jù)TJ/CL251—2012，對(duì)單相逆變器的輸出電壓要求如下：

(1) 輸出電壓總諧波失真(THD)≤10%；

(2) 輸出電壓精度為AC 220(1±5%) V。

本文將在輸入電壓為DC 110 V、輸出空載時(shí)，通過通斷C107、C108與L102的連線，來對(duì)比電容開路故障前后的輸出電壓情況。

2.1 正常工況

圖2為正常工況下示波器測量的單相逆變器實(shí)際輸出電壓波形，圖3為正常工況下服務(wù)監(jiān)控軟件測得的單相逆變器輸出電壓幅值，輸出電壓波形和幅值均滿足技術(shù)要求。

圖2 正常工況下示波器測量的單相逆變器實(shí)際輸出電壓波形

圖3 正常工況下服務(wù)監(jiān)控軟件測得的單相逆變器輸出電壓幅值

2.2 電容開路工況

切斷C107、C108與L102的連線，模擬電容開路。圖4為電容開路工況下示波器測量的單相逆變器實(shí)際輸出電壓波形，圖5為電容開路工況下服務(wù)監(jiān)控軟件測得的單相逆變器輸出電壓幅值，結(jié)果對(duì)比見表1。

圖4 電容開路工況下示波器測量的單相逆變器的實(shí)際輸出電壓波形

圖5 電容開路工況下服務(wù)監(jiān)控軟件測得的單相逆變器輸出電壓幅值

表1 正常工況和電容開路工況下的試驗(yàn)結(jié)果

由表1可以得出以下結(jié)論：

(1) 正常工況下，單相逆變器的實(shí)際輸出電壓和服務(wù)監(jiān)控軟件測得的輸出電壓基本一致，有效值基本都為220 V；且單相逆變器輸出電壓波形為正弦波，波形光滑，諧波含量少。

(2) 電容開路工況下，由示波器采集的輸出電壓波形為脈沖電壓，諧波含量高，即THD超標(biāo)；單相逆變器服務(wù)監(jiān)控軟件測得的輸出電壓有效值為220 V，而實(shí)際輸出電壓有效值為276 V，輸出電壓幅值超過上限(220×(1+5%)=231 V)。

3 電容開路時(shí)保護(hù)失效原因

綜上，發(fā)生電容開路故障時(shí)單相逆變器輸出問題有輸出電壓THD超標(biāo)和輸出電壓精度超限，下文將圍繞這兩點(diǎn)對(duì)電容開路時(shí)保護(hù)失效原因進(jìn)行分析。

3.1 輸出電壓THD超標(biāo)

如圖1所示，當(dāng)C107、C108電容故障或連接線路異常導(dǎo)致LC濾波器電路中的電容開路時(shí)，LC濾波功能失效，傳遞給后方的輸出電壓為交變脈沖電壓，直接經(jīng)T101傳遞到負(fù)載側(cè)。而控制板以TV103采集到T101輸出的交變脈沖電壓為反饋，通過閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓精度的要求。

由于此時(shí)單相逆變器輸出電壓為交變脈沖電壓，而非標(biāo)準(zhǔn)要求的正弦電壓，即輸出電壓中的高頻諧波沒有被濾除，導(dǎo)致輸出電壓THD超標(biāo)。

3.2 輸出電壓精度超限

按照TJ/CL 251—2012要求，單相逆變器輸出電壓傳感器為有效值電壓傳感器，內(nèi)有低通濾波功能，可輸出采集電壓的有效值，且輸出平穩(wěn)。

圖6為有效值電壓傳感器的內(nèi)部電路原理圖，內(nèi)部電路中設(shè)置有RC一階低通濾波器(圖6中藍(lán)框部分)，起到對(duì)采集電壓的低通濾波作用。在RC一階低通濾波器中，R12=100 kΩ，C3=1 μF，其低通截止頻率fc=1/(2πRC)=1.6 Hz，對(duì)逆變輸出的交變脈沖電壓濾波效果顯著。

R.電阻；T.三極管；VCC、GND.運(yùn)算放大器U1的供電電源的正極、負(fù)極；M1.電壓采集電路的輸出端；D.二極管；C.電容。圖6 單相逆變器有效值電壓傳感器內(nèi)部電路原理圖

在交流濾波電容開路后，雖然有效值電壓傳感器的采集電壓高頻諧波含量高，但因傳感器自身的低通濾波功能，其采集電壓中的高頻部分被濾除，輸出結(jié)果與正常工況的數(shù)值接近。此時(shí)檢測的采集電壓比實(shí)際低，而閉環(huán)控制輸出的實(shí)際電壓偏高。表1中正常和電容開路工況下單相逆變器的中間電壓、PWM占空比基本一致，驗(yàn)證采集失效。

綜上，單相逆變器采用了有效值電壓傳感器，電容開路時(shí)實(shí)際輸出電壓偏高(276 V)，但因有效值電壓傳感器中存在低通濾波器，導(dǎo)致采集的輸出電壓偏低，閉環(huán)控制失效，輸出過壓保護(hù)動(dòng)作不能觸發(fā)。

4 可行保護(hù)策略

4.1 策略分析

結(jié)合故障原因分析，要對(duì)電容開路工況下的輸出過壓進(jìn)行保護(hù)，應(yīng)準(zhǔn)確獲取實(shí)際的輸出電壓情況。

(1) 應(yīng)對(duì)輸出電壓進(jìn)行瞬時(shí)采集，即將電壓傳感器的類型由有效值電壓傳感器調(diào)整為瞬時(shí)值電壓傳感器。

(2) 采用瞬時(shí)值電壓傳感器時(shí)，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，要獲取采樣波形，采樣頻率應(yīng)至少為原波形輸出頻率的2倍。此時(shí)，應(yīng)以兼顧滿足準(zhǔn)確還原信號(hào)和耗用采集資源少為原則，提升采樣頻率。

假定單相逆變器逆變控制的開關(guān)頻率為fk，且單相逆變器的控制方式為單級(jí)倍頻，如圖4所示，電容開路工況下，單相逆變器的輸出電壓波形為脈沖波形，其輸出頻率是開關(guān)頻率的2倍，即2fk。因而，提高采樣頻率fs，至少應(yīng)為輸出頻率的2倍，即fs≥4fk。

4.2 策略確定

電容開路工況下，在使用瞬時(shí)值電壓傳感器且fs≥4fk的基礎(chǔ)上，確定了2個(gè)可行保護(hù)策略。

策略2：增加輸出電壓波形的THD軟件側(cè)的超限保護(hù)。參考判據(jù)為：THD>10%持續(xù)1 s時(shí)，單相逆變器停機(jī)保護(hù)。

5 仿真驗(yàn)證

使用MATLAB軟件中的Simulink搭建單相逆變器仿真模型, 如圖7所示。從仿真角度驗(yàn)證可行保護(hù)策略1、策略2的有效性。

PWM.單逆全橋逆變的4路IGBT的驅(qū)動(dòng)脈沖；Vout.輸出電壓傳感器；Vout RMS.輸出電壓有效值顯示示波器。圖7 單相逆變器仿真模型

5.1 策略1驗(yàn)證分析

通過仿真分析，驗(yàn)證單相逆變器交流濾波電容開路工況下，在fs=fk、fs=2fk、fs=4fk這3種采樣頻率下，采樣結(jié)果對(duì)輸出電壓波形的還原情況。

圖8為輸出電壓DC 110 V、輸出空載、電容開路工況下，單相逆變器的實(shí)際輸出電壓波形和3種采樣頻率下的輸出電壓采集波形。

圖8 電容開路工況下單相逆變器的實(shí)際輸出電壓波形和3種采樣頻率下的輸出電壓采集波形

圖9為電容開路工況下單相逆變器的實(shí)際輸出電壓有效值計(jì)算結(jié)果和采樣頻率下的輸出電壓有效值計(jì)算結(jié)果。

圖9 電容開路工況下單相逆變器的實(shí)際輸出電壓有效值計(jì)算結(jié)果和采樣頻率下的輸出電壓有效值計(jì)算結(jié)果

由圖8、圖9可以看出：

(1)fs=fk、fs=2fk時(shí)，無法準(zhǔn)確還原實(shí)際輸出電壓波形，采集不到峰值電壓，若用其采樣結(jié)果進(jìn)行輸出電壓過壓保護(hù)時(shí)，從輸出電壓有效值、輸出電壓瞬時(shí)值兩點(diǎn)保護(hù)上，均無法對(duì)單相逆變器進(jìn)行輸出過壓保護(hù)。

(2)fs=4fk時(shí)，可比較準(zhǔn)確地還原實(shí)際輸出電壓波形，并能采集到峰值電壓，且其輸出電壓有效值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況比較接近。在電容開路工況下，其采樣結(jié)果從輸出電壓有效值、輸出電壓瞬時(shí)值兩點(diǎn)保護(hù)上，均可對(duì)單相逆變器進(jìn)行輸出過壓保護(hù)。

5.2 策略2驗(yàn)證分析

通過仿真分析，對(duì)正常工況和電容開路工況下的單相逆變器的輸出電壓波形進(jìn)行FFT分析，得出2種工況下輸出電壓波形的THD仿真結(jié)果。

圖10、11分別為正常、電容開路工況下單相逆變器輸出電壓波形的THD仿真結(jié)果。

圖10 正常工況下單相逆變器輸出電壓波形的THD仿真結(jié)果

從圖中可以看出，在這2種工況下，輸出電壓波形的THD有明顯區(qū)分：在正常工況下，THD(2.3%)<10%；而在電容開路工況下，THD(49.1%)>10%，即THD保護(hù)判據(jù)可用于識(shí)別電容開路故障工況。

圖11 電容開路工況下單相逆變器輸出電壓波形的THD仿真結(jié)果

綜上，從仿真角度驗(yàn)證可行保護(hù)策略1、策略2均是有效的。

6 結(jié)論

交流濾波電容故障(開路)后，有效值電壓傳感器無法識(shí)別輸出脈沖電壓，而采用瞬時(shí)值電壓傳感器并配合至少4倍開關(guān)頻率的采樣頻率時(shí)，采樣值可真實(shí)反應(yīng)實(shí)際輸出電壓情況。

基于此，可對(duì)鐵路客車單相逆變器設(shè)置以下可行保護(hù)策略：(1)輸出電壓有效值過壓保護(hù)和瞬時(shí)值過壓保護(hù)；(2)輸出電壓THD超限保護(hù)。

本文研究的可行保護(hù)策略可為類似產(chǎn)品和相同的拓?fù)潆娐诽峁﹨⒖冀梃b，同時(shí)，可參考借鑒應(yīng)用于軌道交通用單相逆變器、三相逆變器等輔助電源產(chǎn)品。