地铁车辆辅助逆变器工作原理及典型故障分析

2020-07-15牟文博

轨道交通装备与技术 2020年2期

牟文博

(西安市轨道交通集团有限公司运营分公司陕西西安 710016)

0 引言

西安地铁二号线车辆辅助逆变器(以下简称“SIV”)，具有把1 500 V直流电变为3相380 V交流电，提供200 kVA电力的功能。车辆上除动力用电(即牵引电机所需要的电)是通过牵引逆变器提供外，其他设备用电均是通过车辆辅助逆变器对接触网的电进行转化，然后通过辅助供电系统进行供给的。为提高辅助供电系统的可靠性及安全性，辅助供电系统须设置一套完整的保护体系，最大化地使其发挥作用。

西安地铁二号线车辆辅助电源系统及设备主要布置在Tc(带司机室的拖车)车上，每列车共含有2套辅助电源系统设备，主要包括辅助熔断器箱、辅助开关箱、启动开关箱、辅助电源装置(SIV装置)和整流装置及配套布置在T(拖车)车上的扩展供电箱组成整列车辅助电源系统[1]。

1 SIV简介

西安地铁二号线车辆由中车长春轨道客车股份有限公司制造。列车采用3动3拖，不锈钢车体B2型车，最高运行速度为80 km/h。SIV是由日立永济电气设备(西安)有限公司设计制造，具有把1 500 V直流电变为3相380 V交流电，提供200 kVA电力的功能。SIV装置容量为185 kVA/台(200 kVA/台)，具备以下特征：(1)主电路半导体元件采用IGBT；(2)高频开关具有低噪音特点；(3)用纯水冷却元件，保护环境。

2 SIV工作原理

辅助电源系统又称辅助系统供电网络，由列车DC1 500 V通过高压母线向列车辅助电源系统供电。辅助电源系统设备主要由辅助电源装置、辅助隔离开关箱、辅助熔断器和扩展供电箱等构成。辅助电源系统的工作原理如图1所示，列车获取DC1 500 V高压，经直流滤波电路滤除线网的干扰谐波，再由辅助逆变器逆变成准正弦波和交流滤波器滤波后，使用工频变压器得到3相AC380 V电压。同样，可根据列车使用不同的电压，再转换成DC110 V和DC24 V等电压种类需求[2]。

图1 辅助电源系统工作原理图

辅助电源系统根据主电路的功能，主要由输入滤波电路(滤波电抗器DCL和滤波电容器DCC)、电容充放电电路、辅助逆变电路、交流滤波电路(交流滤波电抗器ACL和交流滤波电容器ACC)、输出变压器电路(又称电气隔离电路)、输出接触器、信号检测电路(电压/电流检测电路)等部分组成，如图2所示。

图2 辅助系统原理图

3 SIV系统重点故障含义

西安地铁二号线车辆信息装置(以下简称“ATI”)可检测的SIV系统故障共有24条，下面就常见故障进行解释说明。

(1)输入过电流：当逆变器的输入电流超过设定的标准值时，判断为输入电流，同时断开IvLB和IvHB，保护主电路电气零部件。

(2)转流失败：在规定的时间内，控制单元发出的门极指令信号和门极驱动板反馈的信号不一致，则判断为转流失败故障。转流失败包括逆变器转流失败(CFDI)和IvHB转流失败(CFDH)。

(3)逆变器过电流：SIV电源装置在工作过程中，控制单元实时检测逆变器的输出电流值，当检测的瞬时值大于设定的标准值时，则判断为逆变器过电流。

(4)相电流不平衡：SIV电源装置在工作过程中，控制单元实时检测逆变器的输出电流值，当检测到电流差超过设定的标准值时，则判断为相电流不平衡。

(5)控制电源欠压：SIV电源装置的控制单元在工作过程中，当检测到各个控制电源电压低于设定的标准值时，则判断为控制电源欠压。控制电源欠压包括门极电源欠压、DC110 V欠压、DC5 V欠压、DC+15 V欠压、DC-15 V欠压和DC24 V欠压。

(6)滤波电容器充电异常：SIV电源装置起动时，主电路接触器IvLB接通后，在规定的时间内，滤波电容器的电压值低于设定的标准值时，判定滤波电容器充电异常。

(7)输出过电压：SIV电源装置在工作过程中，负载侧输出电压的瞬时值超过设定的标准值时，判断为输出过电压。

(8)输出过电流：SIV电源装置在工作过程中，在一定时间内，负载侧输出电流值超过设定的标准值时，判断为输出过电流。

(9)IGBT温度异常：SIV电源装置在工作过程中，控制单元检测热敏电阻的温度并进行处理和演算，当计算值超过设定的标准值时，判定为IGBT温度异常。IGBT温度异常包括IGBT逆变器温度异常和IvHB温度异常。

(10)HK动作异常：当控制单元发出HK分断指令或闭合指令后，在一定时间内，HK不能断开或不能闭合时，判定为HK动作异常。

4 典型故障分析及整改方案

西安地铁二号线车辆SIV系统自2016年使用以来，出现了逆变器过电流(简称“INVOCD”)、逆变器温度过高(THDI)、相电流不平衡(PUD)等问题，严重影响了地铁车辆的运行安全。

经统计，2016年1月至2018年8月间，西安地铁二号线车辆共发生SIV系统故障51件，具体如图3所示。

其中，故障为逆变器过电流的占41%，逆变器温度过高的故障占18%，相电流不平衡故障占17%，下面针对这3类多发的故障进行分析。

图3 DKZ75型电客车SIV系统故障分布图

4.1 逆变器过电流(INVOCD)

4.1.1故障检测原理

逆变器过电流，其检测条件或故障发生时的判定标准为：SIV电源装置在工作或起动的过程中，控制单元通过电流传感器(CTUx1、CTVx1和CTWx1)实时检测逆变器的输出电流值，当检测的瞬时值大于550 A时，判断为逆变器过电流，断开IvLB和IvHB，保护主电路。

4.1.2原因分析

INVOCD故障是比较复杂的故障保护，所以涉及的原因和故障现象较多，现通过对INVOCD故障原因的多种可能进行归纳，整理故障的调查方法和调查思路。INVOCD故障可能原因和调查部件如表1所示。

表1 INVOCD故障可能原因和对应部件

通过对西安地铁二号线车辆SIV功率单元、电流传感器、控制单元部位的故障调查、电磁接触器HK的状态调查以及INVOCD故障标准监视数据的分析，最终确认为HK异常工作导致INVOCD故障保护的发生，更换新件HK后车辆状态恢复正常。对故障件HK进行接触电阻测试和线圈电阻测试，结果为HK使用寿命周期导致，判定HK本体故障。

4.1.3整改措施

(1)结合HK寿命周期，提前组织更换，此外作为运用单位需统筹考虑备件的库存。

(2)借助HK检验测试验台，对影响HK本体寿命的故障点进行逐项分析，深入研究寿命周期。同时，为地铁车辆的采购提供参考，尽量将类似关键部件寿命周期与车辆架大修紧密结合。

4.2 逆变器温度过高(THDI)

4.2.1故障检测原理

逆变器温度过高，简称“THDI”，其检测条件或故障发生时的判定标准：当SIV内IGBT周围的热敏电阻检测到温度值大于85 ℃(软件升级后变为90 ℃)后，系统判断为动力单元温度上升，ATI报“动力单元温度上升异常(逆变器)(THDI)”故障。正线运营出现此故障后系统自动复位，当SIV重新启动后60 s内，再次发生此故障，则须通过按压VVVF/SIV复位开关进行复位操作。

4.2.2原因分析

THDI故障是比较复杂的故障保护，涉及的原因和故障现象较多，故障可能原因有以下几种：

(1)环境因素导致过温状态未恢复；

(2)软件存在异常，导致故障后不能启动；

(3)微机异常，导致不能启动；

(4)温度采样硬件电路异常，导致过温状态不能恢复。

通过下载故障数据进行分析，故障数据波形如图4、5 所示。