AC10型电动列车辅助逆变器故障分析

施佳伟

（上海交通大学自动化系，200240，上海∥助理工程师）

列车辅助逆变器的主要目的是将直流电压转换为拥有恒定幅度和频率的三相交流电，为制动系统的空气压缩机、列车设备内部冷却风扇、客室及司机室空调等三相负载供电。由于辅助逆变器的工作状态是否良好严重影响到列车运营状态，故及时排除辅助逆变器故障就成为检修的重要任务。本文对AC10型电动列车辅助逆变器在运行中出现的故障进行分析，确定其原因。

1 辅助逆变器简介

1.1 辅助逆变器供电原理

辅助逆变器模块（Auxiliary Converter Module，简为ACM）安装于动车，由其将触网1 500V直流电逆变为三相50Hz 660V交流电，再通过三相变压器转换成稳定的三相50Hz 380V交流电提供给负载，如图1所示。

图1 辅助逆变器模块供电原理

1.2 辅助逆变器的结构组成

辅助逆变器主要由输入电流和电压检测模块、电容模块、放电电阻模块、过压保护模块、逆变模块、输出电流检测模块等6部分组成，如图2所示。其中，输入电流和电压检测模块负责对ACM的输入电压、电流进行检测，若发现过压或过流现象，过压保护模块将动作，使ACM软关断，同时通过电阻将能量消耗掉；输出电流检测模块检测输出的二相电流，若发生三相系统过载或者短路、IGBT（绝缘栅双极晶体管）击穿等故障，则使ACM保护性关断；电容模块用以稳定直流输入电压、吸收负载无功功率、减小对电网的谐波干扰。

图2 辅助逆变器结构组成

1.3 逆变工作原理

AC10型电动列车辅助逆变器采用三相桥式电压型逆变器（图3所示为单相桥式逆变电路），通过网络传输信号至GDU（门极驱动单元）模块，控制IGBT的开关断。逆变电压波形如图4所示。

图3 三相桥式逆变电路

图4 逆变电压波形

2 辅助逆变器的监控和保护功能

AC10型电动列车辅助逆变器采用网络控制，通过各种传感器采集数据，对辅助系统实时监控、保护。辅助系统控制框图如图5所示。

为了在启动大负载（如压缩机等）时启动电流不至于过大，辅助系统采取了限制交流电流的措施，通过控制交流输出电压将交流电流限制在安全级别上。同时，对相关的电流、电压和温度进行监视，以确保它们的输出值在容许范围内。辅助系统的电源电路元件如三相电抗器和变压器也采取适当的措施进行保护。

图5 辅助系统控制框图

重要的保护功能包括：电流保护，IGBT过流保护，IGBT转换故障探测，IGBT温度过高保护，直流线路过压保护，辅助系统接地故障，辅助负载电压保护，接触器监测。

3 辅助逆变器典型故障

3.1 故障事件

2010年6月17日8：09，上海轨道交通7号线0733车驾驶员报列车在耀华路站上行高速开关断开，手动分合成功；8：16，驾驶员报718次0733车锦绣路站上行2个辅助逆变器红色，4个高速开关分，无法动车；8：20，0733车处理无效，调度所指导驾驶员采用紧急牵引方式动车；8：21，驾驶员报0733以紧急牵引方式可以动车，但车速仅1km／h。8：22，调度命令清客并做好救援准备；8：23，驾驶员切除ATP（列车自动防护）后，HMI（人机界面）报多种故障；8：26，清客完毕，8：32，故障车救援至龙阳路停车库。

3.2 故障现象

检修人员上车检查发现：

（1）0733号列车于8：03在60km／h制动工况下，在128ms内触网网压从1 671V瞬间上升到2 188V，导致列车4个高速开关跳开且2个辅助逆变器保护性关断（见图6）。

图6 网压瞬间升高辅助逆变器、高速开关跳开

（2）8：03时2个辅助逆变器保护性关断使列车无三相380V交流电输出，导致4个牵引系统的通风风扇无法工作，致使8：09时4个牵引逆变器报过温故障。8：12列车因牵引系统温度过高而全部保护性关断，列车无法牵引（见图7）。

图7 牵引系统因温度过高保护性关断

3.3 故障分析

经分析认为，7号线正线触网为刚性触网（见图8），在2根铝合金铝排过渡处锚段关节触网条件不是很好，与受电弓碳滑板处于非平行状态，导致列车通过时产生跳弓现象。

图8 7号线刚性触网

由于跳弓时列车处于60km／h电制动状态，此时的反馈能量最大，列车再生制动产生的反馈电压直接全部加载在辅助逆变器上，导致辅助逆变器报过压故障，过压保护模块开始工作（见图9），能量由OVP（过压保护）电阻消耗。虽然之后电压恢复正常，但OVP电阻却未降到标准温度，最终导致ACM隔离。

图9 辅助逆变器过压保护模块

ACM隔离后，牵引系统内部风扇因无380V电源不能工作，最终导致牵引箱内部温度升高，MCM（牵引电机逆变模块）隔离（见图7）。

3.4 故障解决

此故障的关键在于OVP电阻的温度未降到标准值。为此，从软件、硬件两个方面来解决。

3.4.1 软件方面

（1）辅助逆变器OVP参数设置：当网压上升到2 050V时OVP开始工作，网压下降到2 000V时OVP停止工作（见图10）。当OVP温度小于440℃，辅助逆变器允许重新启动（原先为225℃）；当OVP温度大于450℃，辅助逆变器将保护性关断（见图11）。

图10 OVP工作参数（网压）

图11 OVP工作参数（温度）

（2）牵引逆变器制动斩波器工作参数设置：当辅助逆变器报“OVP电阻过温”时，若列车施加常用制动，牵引系统将停止使用再生制动而采用电阻制动；当OVP电阻温度恢复到标准值时，牵引系统恢复到可使用再生制动。

3.4.2 硬件方面

可更改OVP电阻，加快放电过程。

电阻电容放电计算公式为：

式中：

V0——电容上的初始电压值；

V1——电容最终可充到或放到的电压值；

Vt——t时刻电容上的电压值。

由上式可知，电阻越小，放电时间越短。因此，采取了再并联多组OVP电阻，使电阻减小到R＝0.5Ω（见图12）的措施。此后的运行中，未再发生此类故障。

图12 硬件改动示意图

4 结语

本文对上海轨道交通7号线发生的一起辅助逆变器故障进行了分析，确定其原因为正线刚性触网在2根铝合金铝排过渡处锚段关节触网条件不是很好，与受电弓碳滑板处于非平行状态，导致列车通过时产生跳弓现象，从而进一步导致辅助逆变器关断。为此从软件和硬件两方面采取了解决措施。此后的实际运行表明，所提出的解决方案效果良好。

［1］陈伯时，陆敏逊.交流调速系统［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［2］黄继荣.电力牵引交流传动与控制［M］.北京：机械工业出版社，1998.

［3］Bombardier Transport.3EST000214－1101＿Propulsion and auxiliary systems［G］.上海：上海地铁维护保障中心车辆公司，2010.

［4］余强.AC 01／02型电动列车辅助逆变器及其故障的分析研究［J］.城市轨道交通研究，2011（1）：56.