动车组换气装置变流器网侧峰值过流试验分析及改进

赵晓春

(中国铁路济南局集团有限公司青岛机车车辆监造项目部 山东 青岛 266111)

动车组空调换气系统主要由空调装置、换气装置、应急通风装置组成。其中空调装置主要用于制冷、制热、通风，换气装置主要用于实现回风、新风供给和废气排出，应急通风主要用于空调故障紧急情况下的新风供给。空调、换气装置根据车型不同分别安装在车底或车顶，应急通风装置安装在车厢的两端，每辆车厢安装2台空调装置、1台换气装置、2台应急通风装置,整个换气系统通过风道对新风、回风进行循环和废气的排出。

1 换气装置组成及原理

换气装置主要由风机、电机、风道、变频器箱等组成，其作用主要为传输新风、回风和废气。新风由换气装置输入，通过专用风道与空调机组相连，经空调装置冷却后输入客室，向客室提供了新鲜的空气，极大地改善了动车组客室空气质量。回风即客室内循环风，部分通过空调装置循环再利用，确保空调工况效率的提升，另一部分排出室外，即废气与部分回风的排出量等同于新风的输入量，确保客室内外压差，保证客室内空气压力恒定。废气即厕所内异味经专用排风道排出车体外，防止异味传入客室内[1]。

2 网侧峰值过流试验分析

2.1 过流故障现象

CRH2A型动车组做空调减半试验(试验需要断开二单元VCB，用一单元主变压器MTr扩展供电)，恢复ACK2和二单元VCB，然后测量换气输入713线电流，发现5～8车换气无输入电流，车下观察发现二单元5～8车换气装置不起机，同样的试验方法测量一单元1～4车换气装置也出现不起机的问题。

查看换气装置逆变器LED报MIS0010(整流器故障)，主控板LED5、6灯交替闪烁，四象限控制板VV17长亮，根据灯显信息判断故障为网侧电流峰值过流，断电复位故障消除。

2.2 故障保护逻辑描述

网侧电流过流故障触发条件为：网侧电流(峰值)大于300 A，封锁脉冲，并在LED显示MIS0010故障代码。

2.3 故障原理分析

CRH2A型动车组1、2、3、4车换气装置为变压器1的辅助绕组提供400 V电源，5、6、7、8车为变压器2的辅助绕组供电，扩展供电时，先将二单元VCB2断开，合上ACK2进行试验，试验结束后断开ACK2，重新合上VCB2，但此时发现5、6、7、8车换气装置故障，每次均为被扩展对象发生故障。

通过扩展供电原理分析，在进行扩展供电时，从变压器1的辅助绕组到5、6、7、8车换气装置的供电距离较长，在辅助绕组容量有限的条件下处于供电末端的网压可能出现幅值降低畸变的现象，从而导致换气装置网侧电流过流。

2.4 电流测量

将换气送风机打到运行位，换气装置逆变器内的冷却风扇开始运行，分3种情况对1车至8车的换气装置冷却风扇稳定时的电流进行测量，即：正常运行平稳时的电流值，高速运行平稳时的电流值，低速运行平稳时的电流值，3种工况下的电流值允许范围为：正常运行测量冷却风扇旋转稳定时的电流0.3～0.8 A，高速运行测量冷却风扇旋转稳定时的电流15～25 A，低速运行测量冷却风扇旋转稳定时的电流6～16 A。测量数值形成曲线如图1所示，符合电流值允许范围。

图1 3种工况电流测量数值曲线图

2.5 Matlab仿真试验

换气装置采用逆变器控制送风机的运行频率，通过提高送风机的静压力性能，能够更好地抑制车内的压力变动，并且确保换气量。换气装置上的电源为AC400 V单相50 Hz，换气装置电动送风机转速可以根据车辆速度进行控制，即：车速160 km/h以下时，送风机以4 320 r/min低速运行；车速160 km/h以上时，送风机以5 820 r/min高速运行。换气装置电气控制示意图如图2所示。

图2 换气装置电气控制示意图

为提供理论分析依据，利用Matlab仿真软件，验证在网压畸变条件下网侧电流的变化趋势，图3是Matlab仿真网压畸变条件下的电压电流波形。从图中可以看出，在网压发生畸变时，网侧电流同步出现畸变现象并迅速升高，超出过流保护门槛，导致峰值过流故障。

图3 网压畸变条件下电压电流波形

2.6 现场测试波形

为了验证分析结果，定位网压畸变原因，联系售后进行扩展供电工况下的换气装置输入电压、电流波形测试。图4为变压器2的主断路器VCB断开和闭合过程，换气装置的正常停机和启动过程。图5为ACK2断开，换气装置网侧电流发生过流故障过程。

图4 VCB分合，换气装置正常启停过程

图5 ACK2断开，换气装置网侧电流发生过流故障过程

2.7 分析结论

现象发生在扩展供电时，ACK2接触器断开引起的网压畸变，主断路器VCB正常闭合，其他负载运行正常，结合理论分析和现场测试数据分析，可判断为网压异常畸变引起的网侧峰值过流，导致换气装置出现不起机的问题。

3 安全评估

(1)此次故障工况是ACK2接触器断开引起的网压异常畸变，进而导致网侧峰值过流，未涉及变更软件及硬件，其余负载工作均正常，不影响列车运行。

(2)在扩展供电的情况下，一旦发生网压畸变，会造成换气装置不起机，进而影响旅客的舒适性，即：无法避免乘客产生耳鸣等不适，同时无法实现新风供给和车内废气排放[2]。

4 改进措施

目前换气装置网压锁相方法为硬件过零锁相，当网压发生极端异常畸变，出现频繁过零情况时，锁相相位和实际网压相位易出现较大偏差，造成变流器工作异常。

针对上述情况，将锁相方法优化为软件锁相。采用数字锁相方法，由乘法鉴相器、低通滤波器LF和压控振荡器三部分组成，纯数字环节计算，锁相速度快，精度高。

4.1 锁相优化可行性分析

4.1.1硬件过零锁相

在换气装置做库内试验时，偶发出现网压异常畸变的工况，当时由上位机、示波器监视的波形与此次网压畸变引起的过流故障相类似，采用的锁相方式为过零锁相，可以看到在网压异常突变的时候锁相相位与实际偏差过大，如图6所示。

图6 故障时刻上位机监视、示波器测试波形

4.1.2硬件过零锁相理论仿真

在网压畸变的工况下，用过零锁相方式进行仿真分析(见图7)，可以看出过零锁相的响应较慢，网压幅值与相位发生畸变的瞬间过零锁相无法快速响应。

图7 网压畸变工况下过零锁相的网压相位与四象限输入电流

4.2 软件锁相

4.2.1软件数字锁相理论仿真

在网压畸变的工况下，用数字锁相方式进行仿真分析(见图8)，可以分析得出过零锁相的响应较快，网压幅值与相位发生畸变的瞬间可以快速响应，相位跟随较好[3]。

4.2.2硬件过零锁相与软件数字锁相理论仿真对比

模拟仿真网压畸变工况，在网压畸变时刻，可以发现过零锁相的网压相位与数字锁相的网压相位的信号同步情况，如图9所示。

图8 网压畸变工况下数字锁相的网压相位与四象限输入电流

图9 硬件过零锁相与软件数字锁相理论仿真对比

通过仿真效果对比，在网压发生畸变的过程中，数字锁相相位比过零锁相相位吻合度高，能够有效降低网压畸变带来的干扰，从图中可以发现，自1.4 us过后，硬件过零锁相网压相位严重偏离模拟的网压相位，但软件数字锁相网压相位与模拟的网压相位有更好的动态响应。

5 结论

将锁相方式更新为软件数字锁相可有效解决在网压畸变工况下锁相导致的网压相位误差问题，能有效抑制网压异常工况下四象限输入电流异常的情况，根据试验性验证考核，效果得到有效验证。