广州地铁1，2，8号线增购车牵引系统斩波管爆裂故障分析与改进措施

李大伟

（广州地铁车辆中心，广东广州511400）

在投入运营的广州地铁1，2，8号线增购车上，采用的是株洲时代电气股份有限公司研发的拥有自主知识产权的TGN51E型国产车辆牵引系统，这将是国产车辆牵引系统首次在广州地铁A型车上的批量应用。牵引系统是地铁列车的关键设备，对其进行设备维护和试验的费用十分昂贵。本文以广州地铁1，2，8号线增购车牵引逆变器再生制动、电阻制动为研究对象，介绍广州地铁列车牵引逆变器再生制动、电阻制动的工作原理，充分分析斩波相IGBT爆裂的原因，指出牵引系统在逻辑控制设计上的问题和缺陷，并提出整改措施。

1 再生制动、电阻制动的工作原理

1.1 牵引系统的介绍

广州地铁1，2，8号线增购车是由4动2拖车组成的6列编组列车，每列车由两个相同的3车单元（A-B-C-C-B-A）构成。B车和C车为动车，具有相同的、独立的列车牵引设备。牵引系统其主要功能是DC 1 500V电压逆变成带有可变振幅和频率的三相电压，用于牵引和制动，牵引电机产生牵引力或制动力，将电能转换成机械能或将机械制动能量转换成电能，实现牵引或再生制动。

牵引系统主回路电路图如图1所示。

主回路主要由高速断路器、电抗器、充电电路、逆变器、牵引电机（4个）、斩波管、制动电阻等组成，红色框部件为牵引逆变器的电阻制动电路［1］。

1.2 牵引逆变器主要技术参数

输入电压：DC1 500V（1 000V～1 800V）

额定输出容量：2×530kVA

最大输出容量：2×1 000kVA

输出电压：0～1 400V

输出频率：0～150Hz

开关频率：500Hz

额定输出电流：2×262A

牵引最大输出电流：2×384A（有效值）

制动最大输出电流：2×534A（有效值）

额定工作点效率：0.98

制动斩波最大电流：800A

控制方式：VVVF直接转矩控制

图1 牵引系统主电路

1.3 再生制动、电阻制动工作原理

广州地铁1，2，8号线增购车制动方式采用电制动（含再生制动和电阻制动）与空气制动混合运算的控制方式。按列车制动力的需求，系统优先充分发挥电制动力的作用，以减少闸瓦磨耗并节约电能。电制动时，优先使用电网吸收再生能量，VVVF控制单元（牵引控制单元）连续监控电网状态，检查能量的吸收状况。当电网吸收电能能力不足或不能吸收时，电网电压（滤波电容端电压）会升高，牵引控制单元根据滤波电容器端电压情况，控制制动斩波器的开通。当电容器端电压超过1 830V时，斩波控制器开通，制动电阻投入工作，将多余能量转换成热能消耗掉。当电制动力不足或失效时，由空气制动控制装置控制投入空气制动进行补足或替代。空气制动补足时优先使用拖车的空气制动力。列车所需制动力大小，由空气制动电子控制单元根据制动指令和列车载荷进行演算，然后转换成电制动力指令向牵引逆变器（VVVF）发送。制动系统能随时根据车辆载荷及由牵引逆变器（VVVF）反馈回的实际施加电制动力等效信号对空气制动力进行修正，以满足不同制动指令对制动力的要求。电制动与空气制动随时自动配合、平滑相互转换，列车无冲动，如图2所示。

图2 信号传递示意图

2 斩波相IGBT爆裂故障分析

2.1 事故现象

2012年8月23日12时24分钟，广州1，2，8号线增购车第3列8B105车牵引逆变器模块1斩波相两个IGBT元件爆裂。

图3 HMI故障履历表

如图3所示，故障发生时刻，HMI故障履历表内首先出现VVVF中间电流过流，其次分别是VVVF模块1、2逆变过流、VVVF的1C管故障、差动电流大于50 A、模块斩波管故障等信息。

列车回库后，检查故障车牵引设备箱，发现牵引逆变器内部IGBT斩波管爆裂，如图4所示。

图4 牵引逆变器IGBT斩波管

2.2 故障数据解析

根据DCU故障记录分析，如图5所示，发现在故障发生之前，A相（粉红色）、B相（天蓝色）逆变输出电流是正常的，电网电压（黄色）和中间直流电压（红色）均在允许范围之内。因此可基本排除外电路牵引电机负载的影响。

图5 DCU故障记录波形

故障发生在再生制动工况下，直流中间电压会由于再生能量的回馈而提升，正常情况下当中间电压超过斩波电压开通门槛时，斩波元件将开通，抑制中间电压过度提升。当中间电压低于斩波电压关断门槛时，斩波元件将关闭。从当天ERM下载的数据上来看，在相同给定力矩情况下，B1车中间直流电流长时间明显比其他车低得多，故障时刻中间直流电压在1 750V左右，很明显斩波支路存在异常电流。

2.3 IGBT爆裂原因分析

由于该器件经常应用于大功率及开关速率快的场合。因此发生击穿甚至炸管的几率非常高，究其根本原因有以下3点：过压、过流、过温。

IGBT的快速开通和关断有利于缩短开关时间和减小开关损耗，但过快的开通和关断，在大电感负载下反而有害。开通时，存在续流二极管反向恢复电流和吸收电容器的放电电流，因此开通越快，IGBT承受的峰值电流也就越大。甚至急剧上升，导致IGBT或者续流二极管损坏。关断时，大电感负载随IGBT的超速开通和关断，将在电路中产生频率和幅值很高而宽度很窄的尖峰电压L×di／dt，常规的过电压吸收电路由于受到二极管开通速度的限制难以吸收该尖峰电压，因而 陡然上升产生过冲现象，IGBT将承受较高的duce／dt冲击，有可能造成自身或电路中其他元器件因过电压击穿而损坏，所以在大电感负载时，IGBT的开关时间不能过短。

表1 牵引系统中间电流数值

表1所示，4个动车牵引系统中间电流相比较后，发现B1车的中间电流与其他3节车相比，中间电流小了120 A左右，而同时下载DCU数据后，发现牵引系统未斩有流，当时的中间电压为1 750V，没有达到斩波相开启门槛值。因此，可以得出斩波相IGBT存在异常，分析得出是IGBT的续流二极管失效导致。

开通关断时间的长短直接影响到开关损耗，每开通关断一次损耗就会累加，如果开关频率很高，损耗就会很大，除了降低逆变器的效率以外，损耗造成的最直接影响就是温度升高。这不仅会加重IGBT发生擎住现象的危险，而且，会延长集电极电流的下降时间和集电极—发射极电压的上升时间，引起关断损耗的增加。显然，这是一个恶性循环。因此，为IGBT提供良好的散热条件是有效利用器件、减少损耗的主要措施。

由图5可以看出，因为斩波相存在异常电流导致斩波相元件过热而损坏。元件之所以爆裂，是由于瞬间大能量通过斩波相元件，引起了上述斩波相元件爆裂。斩波回路短路引起主电路直流（LH2）侧过流故障。

元件爆裂拉弧放电，造成回路接地，引起差分电流传感器（VH1）动作。

目前，列车斩波管开通的门槛值：在牵引状态时是1 845V，在制动状态时是1 830V；而同时此门槛值并没有多做保护措施，只要电压分别达到这两个数值，那么斩波管就会开通。通过读取故障车的数据发现，列车在制动时的电压波动比较频繁，中间电压频繁在1 830 V这个数值来回的波动，造成斩波管频繁的开启和关断，对元件造成很大的损伤。

3 改进措施

根据以上现象分析，斩波元件使用过程中出现异常是此次故障的直接原因，而引起IGBT烧损的直接原因是控制IGBT开关的两个脉冲之间没有足够的间隔时间，导致续流二极管不能正常恢复而损坏，继而桥臂贯穿。

针对此次出现的斩波管故障，生产厂家调整了逆变程序，增加斩波相温度、过压、过流等观测变量，并进行了预防控制，降低斩波管使用率为20ms。从2012年8月28日刷新程序后至今牵引系统表现情况良好。相信通过对斩波管开通频率的控制在很大程度上可以解决此类故障现象，也能使牵引系统稳定性得到很大的改善，大大提高了列车牵引性能。

［1］株洲时代电气股份有限公司.广州地铁1，2，8号线电动车组维修手册［Z］.2012.