寧波地鐵4號(hào)線(xiàn)列車(chē)空調(diào)變頻器載波頻率的改進(jìn)與優(yōu)化

田凱陽(yáng) 張俊 方俊 施亦直 傅辰冰

（寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司智慧運(yùn)營(yíng)分公司，浙江寧波 315000）

0.引言

寧波地鐵4號(hào)線(xiàn)工程由慈城至東錢(qián)湖地區(qū)，是軌道交通骨干線(xiàn)網(wǎng)西北至東南向的一條重要徑向線(xiàn)，全線(xiàn)在東南端設(shè)東錢(qián)湖車(chē)輛段，西北端設(shè)慈城停車(chē)場(chǎng)，線(xiàn)路全長(zhǎng)36km，共設(shè)25座車(chē)站，其中換乘站7座。平均站間距1.49km。共用位于1號(hào)線(xiàn)東環(huán)南路站地塊的線(xiàn)網(wǎng)控制中心。寧波市軌道交通4號(hào)線(xiàn)工程車(chē)輛采用接觸網(wǎng)受流和專(zhuān)用軌回流方式的“B型”車(chē)。其中整車(chē)供應(yīng)商為株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，牽引系統(tǒng)供應(yīng)商為株洲時(shí)代電氣。

1.概述

列車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的作用，是指用以調(diào)節(jié)車(chē)內(nèi)環(huán)境，處理車(chē)內(nèi)空氣的溫度和濕度，給旅客提供一個(gè)健康舒適的乘車(chē)環(huán)境。寧波地鐵4號(hào)線(xiàn)空調(diào)機(jī)組采用日立公司的臥式變頻壓縮機(jī)，在機(jī)組內(nèi)部增加壓縮機(jī)變頻器?？照{(diào)機(jī)組從新風(fēng)口吸入的新鮮空氣與從客室來(lái)的回風(fēng)在蒸發(fā)腔混合，混合空氣經(jīng)過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾和冷卻，再通過(guò)送風(fēng)道吹向客室，帶給乘客舒適健康的乘車(chē)體驗(yàn)[1]。

2.故障現(xiàn)象

寧波地鐵4號(hào)線(xiàn)工程車(chē)輛在調(diào)試初期出現(xiàn)多列車(chē)空調(diào)控制盤(pán)主回路斷路器F1/2和對(duì)應(yīng)漏電保護(hù)器FEL1/2發(fā)生偶發(fā)性跳斷現(xiàn)象。漏電保護(hù)器斷路器的作用為保護(hù)線(xiàn)路設(shè)備，當(dāng)線(xiàn)路通過(guò)電流大于閾值時(shí)斷開(kāi)線(xiàn)路，保證線(xiàn)路設(shè)備正常使用。

3.過(guò)程檢查

由于漏電保護(hù)器FEL1/2跳斷，初步判斷為漏電保護(hù)器空調(diào)機(jī)組漏電流過(guò)大。導(dǎo)致FEL1/2斷開(kāi)，進(jìn)而引起主回路斷路器F1/2啟動(dòng)自保護(hù)功能。調(diào)試期間通過(guò)電流鉗夾住F2上端三相進(jìn)線(xiàn)，啟用PTU開(kāi)啟一臺(tái)壓縮機(jī)，測(cè)得漏電流值在110mA～170mA波動(dòng)；開(kāi)啟兩臺(tái)壓縮機(jī)，測(cè)得漏電流在220mA左右，偶爾出現(xiàn)284mA尖峰值。采用介電測(cè)試儀對(duì)通風(fēng)機(jī)做介電測(cè)試，漏電流值＜5mA；采用介電測(cè)試儀對(duì)冷凝風(fēng)機(jī)做介電測(cè)試，漏電流值＜5mA；采用介電測(cè)試儀對(duì)壓縮機(jī)做介電測(cè)試，測(cè)得漏電流值＜5mA，因此判斷漏電流主要是由變頻器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生。

在車(chē)輛段隨機(jī)選用三列車(chē)，04001車(chē)的Tc1車(chē)、04001車(chē)Mp2車(chē)、04026車(chē)的Mp2車(chē)時(shí)，在全冷的測(cè)試工況下，載波頻率為9K時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)測(cè)得漏電流數(shù)據(jù)如表1所示。從表中可以看出當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為50Hz以下時(shí)，漏電流值基本保持不變，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為70Hz時(shí)，漏電流峰值達(dá)到283mA，如表1所示。

表1 不同頻率下漏電流數(shù)據(jù)

4.原因分析

空調(diào)變頻器輸出是以PWM（脈寬調(diào)制）方式控制，輸出電流為高頻方波，導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部線(xiàn)圈與外殼之間、線(xiàn)纜與地之間有等效電容存在，從而產(chǎn)生泄漏電流。變頻器漏電的原因主要有以下兩種。

（1）EMI濾波器的Y電容：出于EMI濾波的目的，需要將變頻器產(chǎn)生的高頻信號(hào)通過(guò)Y電容接地，從而減少對(duì)車(chē)輛供電電路的電磁干擾。

（2）高頻信號(hào)的分布電容泄漏：由于變頻器輸出為高頻信號(hào)，在電源線(xiàn)與殼體（接地）之間會(huì)產(chǎn)生分布電容漏電。

漏電保護(hù)器的漏電電流等級(jí)為300mA，稍微大于兩臺(tái)變頻運(yùn)行的漏電流值，考慮到漏電保護(hù)器元器件數(shù)值誤差以及機(jī)組運(yùn)行環(huán)境的影響，可能會(huì)導(dǎo)致漏電保護(hù)器發(fā)生跳斷現(xiàn)象。

5.整改方案

理論上IGBT的開(kāi)關(guān)頻率越高，漏電流值就會(huì)越大；反之，開(kāi)關(guān)頻率越低，漏電流值就越小。因此通過(guò)降低IGBT的開(kāi)關(guān)頻率值，可有效地降低漏電流值。同時(shí)降低IGBT開(kāi)關(guān)頻率會(huì)有以下影響。

（1）降低載波頻率可減少變頻器功耗。變頻器中功率模塊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。載波頻率越小，變頻器的損耗越小，輸出功率越大。因此，采用降低載波頻率的方式也可減少變頻器功耗。

（2）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(guò)正弦脈寬調(diào)制（SPWM）后，通過(guò)電機(jī)繞組形成正弦波的電流波形。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(dāng)載波頻率高時(shí)，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。

（3）降低載波頻率可能增加壓縮機(jī)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(dòng)機(jī)氣隙的高次諧波磁通增加，所以噪聲變大。降低載波頻率可能會(huì)增加壓縮機(jī)噪音?，F(xiàn)場(chǎng)非動(dòng)車(chē)情況下在客室進(jìn)行噪音測(cè)試，噪音最大值不超過(guò)68dB，滿(mǎn)足噪音測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，噪音測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 噪音測(cè)試結(jié)果

（4）降低載波頻率增加壓縮機(jī)絕緣壽命。載波頻率越高產(chǎn)生的尖峰電壓數(shù)量就會(huì)越多，對(duì)電機(jī)的沖擊次數(shù)也越多。較高的電壓上升率在壓縮機(jī)繞組上產(chǎn)生不均勻的電壓分布，長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)性的過(guò)快電壓變化將使壓縮機(jī)繞組匝間絕緣過(guò)早破壞。因此，降低載波頻率可以增加壓縮機(jī)絕緣壽命。

（5）降低載波頻率可能影響電磁兼容。1）變頻器安裝在空調(diào)機(jī)組內(nèi)部，而空調(diào)機(jī)組安裝在車(chē)體頂部，變頻器的電磁輻射對(duì)整車(chē)影響很??；2）變頻器安裝在空調(diào)機(jī)組內(nèi)部，機(jī)組本身為金屬殼體且可靠接地，對(duì)變頻器的電磁輻射有很好的防護(hù)作用；3）變頻器本身內(nèi)置EMI濾波器及電抗器；降低載波頻率理論上會(huì)減少變頻器的電磁發(fā)射強(qiáng)度，不會(huì)使變頻器的EMI性能變差。

6.試驗(yàn)測(cè)試

目前，寧波4號(hào)線(xiàn)變頻器開(kāi)關(guān)頻率值為9kHz，降低到4kHz后，在啟動(dòng)兩臺(tái)壓縮機(jī)的情況下測(cè)得漏電流值為120mA～220mA，同時(shí)機(jī)組并無(wú)振動(dòng)、異響等異?，F(xiàn)象。因此，載波頻率為4kHz時(shí)不會(huì)影響變頻器的輸出電壓、頻率，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)制冷/熱量不會(huì)有影響。

啟用變頻器面板將載波頻率參數(shù)b083的數(shù)值由9.0更改為4.0；庫(kù)內(nèi)測(cè)試多次漏電保護(hù)器無(wú)跳斷現(xiàn)象，正線(xiàn)測(cè)試半年來(lái)漏電保護(hù)器也無(wú)跳斷現(xiàn)象，用示波器測(cè)得漏電流值一直穩(wěn)定在120mA～220mA，驗(yàn)證了此方案在確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行前提下的可行性。

此外，通過(guò)寧波4號(hào)線(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)大綱可知，交流磁通量密度限值需保持在4以下，如圖1所示。

圖1 交流磁通量密度強(qiáng)度

7.結(jié)論

更改載波頻率不會(huì)影響電磁兼容。此外，漏電保護(hù)器也無(wú)跳斷現(xiàn)象，驗(yàn)證此方案確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行下的可行性。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 交流磁通量密度測(cè)試結(jié)果