磁浮列车补偿系统IGBT相模块故障分析

曹雯

摘 要：补偿系统包括滤波器和补偿器，它主要用于消除高次谐波和补偿无功功率。但目前，补偿变频器IGBT相模块的故障率较高，影响了补偿系统的正常工作。经过长期的分析和测试发现，变频器风扇开断自动控制的滞后性可导致温度波动范围增大，使IGBT相模块部件与对应的底板分层，进而造成短路故障。改进后，风扇改设为持续工作状态，以消除不利的温度条件。

关键词：补偿系统；IGBT相模块；底板分层；风扇自动控制

中图分类号：U292.91+7 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）21-0022-02

磁浮列车在运行中会消耗很大的无功，且其牵引装置在运行中会产生高次谐波，这都对电网有一定的影响。因此，在磁浮供电系统中设置了补偿系统，其作用是补偿无功功率并消除高次谐波。补偿系统中的滤波器主要用来消除高次谐波和发出相对固定的容性无功；补偿器则用来动态补偿磁浮供电系统中的无功。

1 滤波器

每组滤波器都是利用电抗器与电容器组成的串联电路达到滤波目的的。发生谐振时，电路的电抗为0，电流达到最大值（I=U/R）。在电压为常数的情况下，电流的大小完全取决于电阻的大小。实际电路中的电阻很小。对于谐振频率的电源而言，滤波器电路相当于短路，谐振频率的电流都会流向滤波器电路。因此，流过该谐振频率的其他电流很小，这就是滤波器的作用原理。

经供电部门测试，滤波器在磁浮列车运行中投运时，其谐波量符合要求。

2 补偿器

补偿器的主要器件是IGBT变频器，每台补偿器的输出功率为600 kVar，是独立的变频系统。变频器通过强制换向和控制开关脉冲的宽度，可将电容器直流电压转换至变频器的交流侧，使交流侧产生可超前于或迟后于电流的正弦波电压。也就是说，补偿器可无级调节产生从-600（容性）～600 kVar（感性）的无功功率。1套补偿器的10组变频器就能产生从-6 000（容性）～6 000 kVar（感性）的无功功率。它与一套滤波器相配合能产生从0～-12 000 kVar的无功功率，可充分满足补偿磁浮列车运行的需要。但最关键的问题是，补偿器能根据系统的无功功率需要自动调节无功输出，即动态自动补偿，进而使系统的功率因数>0.9.而如果全部采用静态补偿，就会在磁浮列车停止时造成过补偿（容性无功功率过剩），进而使系统的功率因数<0.9.

补偿器全部正常时可使系统的功率因数>0.9，实际抄录运行中的功率因数大多在0.95以上；当补偿器中的变频器发生故障时，功率因数明显下降。

在实际运行中发现，变频器的故障率较高，特别是IGBT相模块短路的故障率很高，使用寿命仅为2～3年。

3 补偿系统IGBT相模块短路故障分析

为了解决变频器IGBT相模块的短路故障问题，从而提高补偿系统运行的可靠性，近年来，我们多次分析了故障原因，检查和重新计算了补偿系统的设计，但并没有发现模块信息偏离相关规定值。

对损坏的IGBT模块进行超声脉冲-回波调查时发现，模块在基板和底板下彻底分层，在发射器主要端子和底板下方彻底分层。

为了找到分层的原因，重新测量了补偿系统的主要项目，比如变频器电流、直流环节电压（Ud）、变频器无功功率、变频器电流正弦波、相连变频器的同步性能和相模块散热片的温度等，但既没有发现这些项目偏离理论值，也没有发现异常运行状态。

此外，测量了补偿系统的其他项目，比如变频器空气入口处的空气温度、变频器空气入口处的空气湿度、变频器空气出口处的空气温度和相模块散热片的振动等，结果也未发现这些项目偏离相关理论值和规定值。

通过在散热片的适当位置钻孔放置温度传感器测量在IGBT底板处温度，并在2013-06-05—10对底板温度进行测试。测试结果表明，当冷却风扇持续工作时，IGBT底板的温度变化范围<20 ℃，在规定值的范围内。如果外部温度过低，冷却风扇会在正常运行期间通过滞后自动控制进行开、关动作（65 ℃时自动开启，55 ℃时自动关闭）。在此情况下，IGBT底板的温度浮动范围>30 ℃，超出了允许范围。

以下是此次测试的简单描述。

选择下列变频器测试：龙阳A轨=AEMK+BP01.9201.A23，2013-01-14安装，运行约8 400周期；浦东A轨=AEMK+BP 02.9201.A23，2011-10-25安装，运行约33 000周期。

在每个柜子中选取1个相模块，在散热片背面钻孔，并在IGBT的底板上安装热传感器。传感器安装后密封钻孔，以防出现测试错误。

在2013-06-05T04：00—2013-06-06T06：30龙阳变频器A23测试的温度曲线运行工况中，5节编组的列车往返运行；在2013-06-05T04：30左右连接滤波器；在2013-06-05T06：45左右启动运行模式；在2013-06-05T21：45左右结束运行；在2013-06-05T22：10左右断开滤波器。列车运行期间，风扇一直处于工作状态，并设置为开断自动控制。

测试结果为：在外界温度高于20 ℃的情况下，底板上的温度波动约为15 ℃。因2013-06-05T16：30开始降雨，散热片的温度下降至50 ℃。因此，风扇通过自动控制被关断，使底板的温度大幅升高，约为70 ℃。总体温度约上升了29 ℃。

在2013-06-10T13：21—2013-06-10T15：00龙阳变频器A23测试的温度曲线运行工况中，在散热片的温度达到70 ℃时（风扇控制的测量温度点），人工关断变频器，底板温度下降至40 ℃，同时，风扇通过滞后控制被关断。将变频器重新连接后，底板温度快速上升，直至风扇通过滞后控制再次打开时，底板温度已达到70 ℃。

测试结果为：温度的浮动范围约为28 ℃。

在2013-06-07T04：00—2013-06-08T06：30浦东变频器A23测试的温度曲线运行工况中，运行期间风扇一直保持工作状态。

测试结果为：在外部温度高于20 ℃的情况下，底板温度的浮动范围约为l8 ℃，比龙阳变频器的底板温度高出约10 ℃。假定IGBT运行了33 000周次时，IGBT分层情况进一步恶化，进而使其热性能恶化。

在2013-06-10T15：30—2013-06-10T17：00浦东变频器A23测试的温度曲线运行工况中，当散热片的温度达到70 ℃时，人工关断变频器，同时，风扇通过滞后控制被关断。将变频器重新连接后，散热片的温度达到70 ℃，变频器关断。

测试结果为：温度的浮动范围约为32 ℃。

4 结论和改进方法

经过本次测可得出，所有IGBT故障具有相同的缺陷特性——IGBT部件与底板分层。几乎所有的IGBT故障都发生在其经过2次冬季后。在夏季，IGBT底板的正常温度浮动范围<20 ℃（风扇一直处于工作状态）；在天气寒冷时，风扇因受滞后控制会被频繁关断，此时IGBT底板的温度波动范围>30 ℃，进而使IGBT的使用寿命缩短。

此次测试也证实了交替变换的载荷条件和不利的风扇控制参数（控制滞后）会导致温度的波动范围增大，进而造成IGBT部件与对应的底板分层。因此，应调整所有变频器的风扇控制特性，将风扇工作点的测量温度由原先的65 ℃改为10 ℃。这样变频器风扇可持续工作，进而消除不利的温度条件。

〔编辑：张思楠〕

Maglev Phase IGBT Module Fault Compensation System Analysis

Cao Wen

Abstract： The compensation system includes a filter and compensator， which is mainly used to eliminate high harmonics and reactive power compensation. But now， the failure rate of the compensation phase IGBT inverter module is higher， affecting the normal operation of the compensation system. After long-term analysis and testing found that the inverter automatically controls the fan breaking lag can lead to temperature fluctuation range increases， the phase IGBT module component corresponding to the base plate layered， thus causing a short circuit fault. After the improvements， the fan is set to change the status of ongoing work to eliminate adverse temperature conditions.

Key words： compensation system； IGBT phase module； bottom stratification； fan automatic control