AC01/02型电动列车辅助逆变器及其故障的分析研究*

余 强

(上海申通地铁集团有限公司维护保障中心,200092,上海∥高级工程师)

AC01/02型电动列车辅助逆变器及其故障的分析研究*

余 强

(上海申通地铁集团有限公司维护保障中心,200092,上海∥高级工程师)

分析了AC01/02型电动列车辅助逆变器的基本电路结构,阐述了辅助逆变器中IPM模块及其驱动电路与故障监控的原理。详细介绍了AC01/02型电动列车自引进以来IPM模块的故障及其严重影响列车正常投运的情况,并对IPM模块的故障进行统计与分析。针对故障采取了相应的对策,取得了一定的效果,并提出了几点建议。

地铁车辆;辅助逆变器;IPM模块及其驱动电路;故障监控

Author's addressMaintenance Support Center of Shanghai Shentong Metro Co.,Ltd.,200092,Shanghai,China

1 AC01/02型电动列车辅助逆变器概述

上海轨道交通AC01/02型电动列车自引进至今已运营了10余年,其辅助电源系统属分散供电,每辆车配一台辅助逆变器。辅助逆变器为模块化结构,基本上由A11～A14模块构成。由于其中关键模块采用IPM(智能功率模块)器件,故也称为IPM辅助逆变器。AC01/02型电动列车拖车(A车)与动车(B、C车)的辅助逆变器在构造上有差异。

图1所示为A车的辅助逆变器。其中较为突出的是带中线的三相四线逆变器,它和升压稳压斩波器一起构成A14模块(称A14.1)。A14模块采用IPM器件(也称IPM模块),容量为45 kVA。该辅助逆变器中A13模块由降压稳压斩波器与谐振式DC/DC变换器组成(也称A13.1模块),也采用IPM器件,是低压直流电源或蓄电池充电电源;其容量为22 kW,输出为DC 110 V,需要时电压可调整。

B、C车的辅助逆变器是容量为90 kVA的普通的二电平三相逆变器,称为A14.2模块。其前级是双重升压稳压斩波器A13.2模块(见图2)。这两种模块也都采用IPM器件。

由图1和图2看出,它们的A11、A12模块的结构与电路是相同的,都是带高频变压器隔离的谐振式DC/DC变换器;其输入侧两个电容串联分压,输出侧为直流并联输出。这样连接可使输入处的两个串联电容具有自动均压作用。这两个模块中采用的是三菱公司生产的1700 V等级的IGBT(绝缘栅双极晶体管)器件,其外形上也有些特殊。

A车的辅助逆变器中所用的IPM器件有300 A/1200 V,600 A/1200 V与75 A/1200 V,400 A/600 V等多种规格。其外形尺寸较大,驱动接口特别,与通用型的IGBT模块不能兼容。其中A14.1模块中IPM器件故障概率较大,约占总故障的48%,到后期升至73%,甚至到A14.1模块几乎无备品备件的地步。并且此类IPM器件是三菱公司独家生产,其中有些型号的产品(如规格为75 A/1200 V的 IPM器件)要停产,其备品备件不能保证。

考虑到IPM器件的故障率高、备件不能保证等,为此对其故障进行深入分析与研究,以采取相应的对策;同时考虑采用通用型的IGBT器件进行国产化替代研制,以作好技术储备。

图1 A车辅助逆变器

图2 B、C车辅助逆变器

2 A车辅助逆变器分析

A车辅助逆变器中的关键部件是三相四线逆变器,与升压稳压斩波器一起构成A14.1模块。将输入电感L2和输出电感L3及滤波电容模块A15添入,即为图3所示的用于分析的完整电路单元。此电路由两部分组成:第一部分为升压稳压斩波器,其输入为A11、A12模块输出的可变DC 300～600 V电压(这是跟随网压而变化的),输出为稳定的DC 650 V电压;第二部分为三相四线逆变器,其中线构成的方案较多。在此,中线(即零线)采用图3所示方式,接有电感和电容组成的滤波器,通过上、下管的交替通断来形成中线,以获得50 Hz 380 V/220 V的三相四线交流电压。

图3中的升压稳压斩波器的结构和控制与通常的升压斩波器相同,本文主要对其中的三相四线逆变器进行分析研究。对于接有输出滤波器的三相逆变器,必须注意滤波器参数与逆变器开关脉冲频率之间的关系及其对逆变器性能的重要影响。

图3中,三相滤波电感每一相的电感值为0.25 mH,中线相的电感值为0.75 mH;滤波电容模块中各个电容值为 76 μ F;三相滤波器的谐振频率为1.15 kHz。对于三相四线逆变器,逆变器的开关脉冲频率为6 kHz,逆变器的输入电压是调整后的稳定的DC 650 V。通过MATLAB仿真分析可以得出,为使逆变器的输出波形好(尽量接近正弦波),开关脉冲频率要高些为好,且滤波器的参数要合适。即滤波器的谐振频率要远大于输出的基波频率,但又要明显小于开关脉冲频率。本例中前者20余倍,后者约五分之一。参数为上述正常值时,逆变器的仿真波形如图4所示。

图3 A14.1的电路原理图

图4 参数正常时(电感0.25 mH、电容76 μ F)的仿真波形

由图4看出,正常工况时逆变器输出的电流、电压波形好(图(a)和(c)),接近正弦波;逆变器输出的中线相的电流在对称情况下是很小的。

参数变化不正常(如电感50 μ H、电容2 μ F)时的仿真波形,其滤波器的谐振频率约为16 kHz。由于开关脉冲频率为6 kHz,经傅氏展开后有16 kHz左右的高次谐波存在,则在此附近会引起谐振而导致电感电流和输出电压产生过流与过压,严重时将会引起电感过热性能变劣或管子损毁;中线相的电流比参数正常时大了些,由于其三相仍对称,故其还是较小的。

当滤波器参数变化使其谐振频率等于6 kHz时,由于开关频率也为6 kHz,便产生谐振。谐振时会引起很高的电流与电压(达6000 A、20000 V)应力,这是绝对不允许的。

对A14.2模块(即三相逆变器电路)进行仿真计算,可以看出具有相同的结论。

3 IPM器件及其驱动电路

3.1 IPM器件简述

IPM器件(或智能模块)是一种在IGBT器件基础上再集成了栅极驱动电路、故障检测电路和保护电路的电力电子模块。具体说,是在一个基本的IGBT器件上再集成了驱动电路及欠电压、过流、短路、过热等故障检测保护电路,以及一个对外输出信号为FO的故障输出电路。IPM内部的驱动电路需要提供15 V的稳定电源,由于与门极靠得很近,故不需要负偏置电压;其驱动的控制信号要求5 V的控制脉冲信号。IPM内部的欠电压、过流、短路、过热等故障保护电路都有相应的检测单元或传感器,其保护信号通过“或”门逻辑电路对外输出一个FO的故障保护信号;只要有一个故障保护环节检测到故障信号,都可使驱动环节封锁驱动信号,关闭IGBT。

3.2 地铁车辆辅助逆变器用的IPM驱动电路

虽然IPM器件内部具有驱动环节,但在器件外部还是需要一个相应的外部驱动电路。其主要实现三种功能:①提供电气上隔离的15 V驱动电源;②给出IPM器件所需的5 V驱动控制脉冲信号;③具有对故障输出信号FO的处理环节。对后二点,同样具有电气上隔离的要求。在地铁车辆辅助逆变器中,是采用光纤接受器和光纤发射器来实现电气上隔离的功能。

AC01/02型车辆辅助逆变器中的外部驱动电路框图见图5。首先,由N1和V2及高频变压器T1构成的隔离式DC/DC变换器,再经V20、C20环节整直,构成电气上隔离的驱动IGBT所需的+15 V电源;再由N20输出光纤接受器与发射器及驱动信号所需的+5 V电源。其次,通过光纤接受器U2将频率6 kHz的光脉冲信号转换为5 V的6 kHz电脉冲信号,作为IPM 的驱动信号。再次,N21单元是一个由555集成芯片构成的多谐振荡器,产生(110±20)kHz脉冲电压波形(占空比约0.7),其经光纤发射器U1输出频率相当的检测故障的光脉冲信号,用于故障检测(或监控,或故障登记)。

图5 IPM的外部驱动电路原理框图

3.3 对应IPM故障所给出的故障代码

由图5看出,N21和U1构成检测故障(或监控)环节,其通过光纤发射器输出光脉冲信号给辅助逆变器主控器中的光纤接收器,变为电脉冲信号后输给微处理器控制单元来处理;这样,各个IPM器件通过其外部驱动电路的监控环节给出不同故障的相应故障代码。

在供应商提供的资料中,对IPM器件的监控规定如下:正常工作时,检测故障环节通过光纤提供(110±20)kHz连续的电压脉冲振荡信号;若IPM故障,则图5中的N21单元停振,此时光纤发射器在故障期间不发光;若无 IPM器件或无驱动电路板,同样N21单元会停振,此时光纤发射器会持续点亮。对于1个IPM器件,设计对应的故障代码有三种:①无IPM或无驱动电路(或无驱动信号,栅极驱动环节坏)的故障代码;②产生过电流并发生了n次的故障代码;③产生过热(或欠压)的故障代码。如A14.1模块L1相的下管(即V3(-)管),对应的三种故障代码为E171、E172和E173。对辅助逆变器电路中的每一个IPM都有三种故障代码。

此外,资料中对IPM 的监控又规定:过流监控,反馈信号中断(即N21停振)时间 t为1 ms＜t≤2 ms;过热监控,反馈信号中断时间t＞2 ms;电源欠压监控,中断时间t＞2 ms。这些规定是根据IPM器件的特点及对故障保护定义来设定的。

4 对IPM器件的故障分析

AC01型车辆辅助逆变器中由于采用较多的IPM器件,故也称其为IPM辅助逆变器。在该逆变器中,对每个IPM器件或IGBT器件都有监控,并提供相应的故障代码。AC01型车辆自投入运行以来,IPM器件的故障率一直比较高。在供应商提供的维修资料中,凡涉及IPM故障,就要将此IPM及其驱动电路板一起更换。因而至2007年的统计中,IPM已更换200余块,相应的驱动电路板也被更换,还有驱动电路板的修理费等,致使运营维护费用很高。

供应商提供的资料中,对IPM模块的故障代码及其故障的定义也往往与实际观察分析的对不上号。例如,反映的故障代码是IPM过热,但实际分析与测量中并未过热;而故障代码为IPM过流,实际分析与观察中也并非如此。此外,说起来IPM对短路保护很灵敏,而实际中IPM被烧毁或被炸掉的也不少。

对运行中所暴露的故障作进一步分析,笔者有如下几点看法:

(1)在供应商给出的监控资料中,未提及短路故障及其相应的故障代码,短路故障也只能按过流故障来处理。这就存在一定的问题:虽然在实施短流保护后有约1.8 ms的锁定时间,但在此锁定时间后,若故障仍未消失,则又会在驱动信号作用下触发导通,于是再次发生短路;这样持续下去,对于频率为6 kHz的触发开关,这1 s时间内将会出现几百次短路故障。短路故障虽能快速切断,但对器件是有损害的。在产品目录中,也规定只能保护100次而已,因而器件被烧毁或被炸掉仍会发生。此情况在监控资料中未提及,也没有相应的措施。

(2)根据仿真计算分析,当输出滤波器参数变化使其谐振频率超出开关脉冲频率,就会出现电压与电流应力,导致IPM 损坏。由于实际运行中滤波电感发热厉害,其参数变化与性能下降也可能会造成管子被炸。

(3)IPM器件经常报出过热的故障代码,而在实际的测试中(如贴温度片)观察到周围的环境温度也只有60℃左右;而且对过热采取了较好散热措施后,环境温度有明显的下降,但过热故障代码仍出现。对故障代码分析后知:因为故障代码是以故障反馈信息中断时间t＞2 ms,来报的,这样,由于其他原因,如列车运行中接插件松动等致使t＞2 ms也就误报了。另外,由于开关频率高(6 kHz),主模块损耗大,模块内部发热也高,是否也会对其有影响。

(4)一块外部驱动电路板上有7个接插件(3个是电气的,4个是光纤座的),由于维修时要经常拔插,次数太多,会使其接触不可靠;加之列车运行中常伴有冲击与振动,以及这些接插件本身或寿命上的一些问题,也可能会带来对IPM故障的误报。

(5)所用的IPM两单元器件如PM300 DVA120从开关时间来看,导通快、关断慢,而死区时间为4 μ s接近限界值,因而也要考虑到管子性能变化带来的影响。

通过上述分析,采取了相应的措施。如:对接插件的更换与更新,对IPM及其驱动电路板的重新测试,对滤波电感参数变化趋势的测试分析等,同时依靠国内力量开发了相应的驱动电路。这些措施都取得了较好的收效,降低了运营维护的成本。

5 几点结论

(1)AC01型车辆辅助逆变器采用高频变压器隔离,大大减轻了质量,且逆变器和斩波器开关频率高,电气性能好,属技术先进水平的产品。但由于采用的IPM器件故障保护灵敏,带来了鲁棒性不足,以致故障不断、运营维护成本高。对地铁运营部门来说,先进性是好,但更重要的是可靠性要高。经对国外生产的、已投入运行的地铁车辆统计来看,采用IPM辅助逆变器的车辆也是非常少见的。

(2)辅助逆变器中所用IPM器件品种规格多,且是三菱公司独家生产,时常发生备品不能及时供应而影响出车。为此,必须要考虑到这些IPM今后的前途。如果某些型号停产或改型等都会使备品成问题,故要做好采用通用的IGBT替代的技术储备工作。

(3)对IPM的外部驱动电路板及其他控制电路板,要及时做好国产化的开发工作,一方面可降低成本,另一方面也保证了供货源。

[1]陈国呈.PWM变频调速及软开关电力变换技术[M].北京:机械工业出版社,2001.

Analysis of the Auxiliary Inverter and Its Failure for AC01/02 Type Electrical Train

Yu Qiang

This paper analyzes the basic circuit principle of the auxiliary inverter system for AC01/02 type electrical train,describes IPM(internal polarization modulator)unit,its driving circuit and the principle of fault monitoring.Because IPM unit breaks down constantly,it has affected the vehicle operation rate seriously.The paper makesstatistical analysis of IPM unit fault,and takes appropriate measures against it to achieve the corresponding effects.

metro vehicle;auxiliary inverter;IPM unit and its driving circuit;fault monitoring

U 266.3+72

*上海市科学技术委员会科研计划项目(09111100202)

2010-09-11)