磁悬浮列车补偿系统IGBT相模块故障分析

曹 雯

（上海上电电力运营有限公司，上海 200245）

磁悬浮列车在运行中需要消耗大量无功，并且牵引装置产生的高次谐波，会对电网产生一定影响。因此，需要在磁悬浮供电系统中安装补偿系统，以补偿无功功率并消除高次谐波。由于补偿变频器中的关键部件绝缘栅双极型晶体管（IGBT）相模块短路故障率非常高，影响了系统的整体无功补偿效果。为了降低IGBT相模块的故障率，曾对补偿系统的运行环境做了改进，如完善通风过滤系统、通风控制系统等，但仍未解决问题。对补偿系统的设计进行重新计算，也没有发现偏离规定值的情况。

经过了几年的分析和测试，从设备环境如通风、温度、湿度等外部条件，以及故障IGBT相模块内部情况等方面分析探究，并且在设备运行当中进行各项参数的测试，最终发现是由于变频器风扇开断自动控制的滞后性造成了温度波动范围增大，使得IGBT相模块内部的基板和对应的底板间分层，从而导致短路故障。

1 磁悬浮列车补偿系统

磁悬浮列车补偿系统由滤波器和补偿器组成。滤波器用来消除高次谐波和发出相对固定的容性无功，补偿器则用来动态地补偿磁悬浮供电系统中的无功功率。

1.1 滤波器

滤波器一次接线图如图1所示。

每组滤波器由电抗器和电容器的串联电路组成，来实现滤波的目的。电抗器的阻抗一般用R+j XL来表示，其中电阻R比XL小得多；电容器一般用-j XC来表示。以一相的一个滤波电路为例来分析。

图1 滤波器一次接线图

电路总阻抗Z为：

式中：ω为角频率；f为频率。

当XL=XC时，电路发生谐振。此时总阻抗Z=R为最小，电路的电流达到最大I=U／R。很明显，在某个角频率ω0（ω0称为谐振角频率）下，会达到XL=XC。谐振角频率只由L和C参数决定。当发生谐振时，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，电流完全取决于电阻的大小。实际电路中R很小，对于具有谐振频率的电源来说，滤波器电路相当于短路，具有谐振频率的电流都流向滤波器电路，因此其他电路流过该谐振频率的电流就很小，这就是滤波器的工作原理。

在磁悬浮列车运行中投运滤波器，经供电部门测试，谐波量符合要求。

1.2 补偿器

补偿器一次接线图如图2所示。

图2 补偿器一次接线图

补偿器的主要器件是绝缘栅双极型晶体管变频器，每台输出功率为600kvar，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到变频器的交流侧，使得交流侧产生可以超前于电流，或迟后于电流的正弦波电压。

磁悬浮列车补偿系统中的补偿器可以无级调节产生从-600kvar（容性）至600kvar（感性）的无功功率。一套补偿器的10组变频器就能产生从-6 000kvar（容性）至6 000kvar（感性）的无功功率。与一套滤波器配合起来就能产生从0～-12 000kvar的无功功率，可以满足补偿磁悬浮列车运行中需要的无功功率。但最关键的是，补偿器能根据系统的无功功率需要自动调节其无功的输出进行补偿，这是动态无功补偿，可以使系统的功率因数大于0.9。否则，如果全部采用静态无功补偿，就会在磁悬浮列车停止时造成过补偿（容性无功功率过剩），同样使系统的功率因数低于0.9。

当补偿器全部正常使用时，可使系统的功率因数大于0.9，实际抄录磁悬浮列车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，功率因数会明显下降。通过抽样测试统计，补偿器中变频器故障对系统功率因数影响如表1所示。

表1 变频器故障对系统功率因数影响

在实际运行中发现，变频器故障的发生还是相当多的，特别是IGBT相模块的短路故障率很高，使用寿命仅为2～3年。

2 IGBT相模块短路故障分析

2.1 故障测试情况

为了解决变频器IGBT相模块短路故障率高的问题，提高补偿系统的运行可靠性，曾经多次对故障原因进行分析，并对补偿系统的设计进行检查和重新计算，结果没有发现偏离相关规定值的情况。

对损坏的IGBT模块进行超声脉冲回波信号检查时发现，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，对补偿系统的主要项目重新进行了测量，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、相模块散热片温度等，结果没有发现偏离理论值的情况，也没有发现异常运行状态。

对补偿系统其他项目的测量，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、相模块散热片振动等，结果未发现偏离相关理论值和规定值的情况。

通过在散热片适当位置钻孔放置温度传感器来测量在IGBT底板处温度，并在2013年6月5日至2013年6月10日对底板温度进行测试。测试结果表明：当冷却风扇持续（没有中断）工作时，IGBT底板的温度浮动范围小于20K，在规定值范围内。如果外部温度低，冷却风扇会在正常运行期间通过滞后自动控制进行开和关（65℃自动开，55℃自动关）。这种工况下，IGBT底板的温度浮动范围大于30K，超出了允许范围。

2.2 用温度传感器测量IGBT底板处温度情况

2.2.1 变频器的选择

通过对磁悬浮列车补偿系统分析，最终选择下列变频器进行测试。龙阳路变电站A段补偿变频器A23，在2012年7月14日安装，已运行了约8 400h。浦东机场变电站 A段补偿变频器A23，在2011年10月25日安装，已运行了约23 000h。在每个柜子选一个相模块，在散热片背面钻孔，在IGBT的底板上安装热传感器。安装完传感器后，钻孔被密封以预防测试错误。

2.2.2 测试情况

1）龙阳变频器A23测试的温度曲线（2013年6月5日04：00至6日06：30）如图3所示。运行工况为：5节编组的列车往返运行；在早上4：30连接滤波器，6：45启动运行模式；晚上9：45结束运行，10：10断开滤波器。在整个运行期间，风扇一直工作，并设置为开断自动控制。

由图3结果显示，在外界温度高于20℃的情况下，底板上的温度波动约为15K。由于下午4：30左右的降雨，散热片上的温度下降到50℃，因此风扇通过自动控制被关断。这就使底板上的温度升高，达到约70℃。底板上总的温度浮动上升了约29K。

图3 龙阳变频器A23的温度曲线

2）龙阳变频器A23测试的温度曲线（2013年6月10日13：21至15：00）如图4所示。运行工况同图3，仅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。结果显示，底板温度下降至40℃，同时风扇通过滞后控制被关断。人工将变频器重新连接，结果显示底板温度快速上升直至风扇通过滞后控制再次打开，底板温度已经几乎达到70℃。

图4 散热片上温度达到70℃时龙阳变频器关断后的温度曲线

由图4显示：测量到的温度浮动范围约为28K。

3）浦东变频器A23测试的温度曲线（2013年6月7日04：00至8日06：30）如图5所示。运行工况同图3，只是在整个运行期间，风扇一直工作着。

图5 浦东变频器A23的温度曲线

6 散热片上温度达到70℃时浦东变频器关断后的温度曲线

由图5显示，在外部温度高于20℃的情况下，底板温度浮动范围约18K，比龙阳变频器的底板温度高约10K。可以假定，在IGBT运行了33000周次时，分层情况进一步恶化，并使其热性能恶化。

4）浦东变频器A23测试的温度曲线（2013年6月10日15：30至17：00）如图6所示。运行工况同图3，只是在散热片温度达到70℃时，人工关断变频器，同时风扇通过滞后控制被关断，人工将变频器重新连接。

由图6显示，当散热片上温度达到70℃时，变频器关断后测量到的温度浮动范围约为32K。

3 结论

通过对磁悬浮列车补偿系统分析发现，IGBT部件和底板之间分层，而几乎所有故障都发生在经过两个冬季之后。在夏季（运行）环境条件下，IGBT底板的正常温度浮动范围小于20K（风扇一直处于工作状态）。在较冷月份，风扇受滞后控制会被频繁关断，IGBT底板的温度波动范围大于30K。此温度波动范围的增大可造成IGBT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）使温度波动范围增大，造成IGBT部件和对应的底板之间分层。对所有变频器的风扇控制特性进行调整，将风扇工作点的测量温度由原先65℃改为10℃，即风扇处于常运行状态。调整后，变频器风扇将持续工作，可以消除不利的温度条件。