铁路客车DC600V车下电源逆变器技术现状分析及检修维护

杨振寰

摘  要：铁路客车配属的DC600V车下电源逆变器及充电机分别由常州新誉集团、武汉正远、铁科院、北京鼎汉等几个厂家生产，目前DC600V车下电源逆变器尽管性能良好，但在使用中仍会出现一些问题，因此文章在分析铁路客车DC600V车下电源逆变器技术现状基础上，对电源逆变器的检修维护进行分析。

关键词：铁路客车;DC600V;电源逆变器;技术;检修维护

中图分类号：U279 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）29-0159-02

Abstract： The DC600V under-vehicle power inverter and charger for railway passenger cars are respectively produced by Changzhou Xinyu Group， Wuhan Zhengyuan， Railway Science Institute， Beijing Dinghan and other manufacturers. At present， although the performance of DC600V under-vehicle power inverter is good， there will be some problems in use. Therefore， based on the analysis of the technical status of DC600V under-vehicle power inverter of railway passenger cars， this paper analyzes the overhaul and maintenance of the power inverter.

Keywords： railway passenger cars; DC600V; power inverter; technology; maintenance

1 DC600V電源逆变器和充电机工作原理

铁路客车由直供电机车从接触网取电后，经调频调压逆变器逆变、整流后，向其提供DC600V电源供给本车逆变器和充电机[1]。逆变器负责把DC600V变换成3×AC380V、50Hz交流电，主要为空调列车的空调机组、电开水炉等三相交流用电负载供电。相应的设备和其他交流电源采用IGBT开关器件，开关具有频率高、简单、功耗低，近次谐波接近零等优势。逆变器使用LC滤波器以及EMI滤波器输出来保证是纯正弦波输出技术，同时使用抗干扰技术，具有良好的电磁兼容性和可靠性[2]。输入和输出通过接触器隔离，可以保障电源发生故障时，电气系统自动实现隔离断电。

DC600V/DC110V充电机是专门为装有DC600V供电系统的客车设计的。该充电机通过高频转换将DC600V转换为DC110V电流，为乘用车蓄电池提供浮动充电电源，同时为其它用电设备提供DC110V电源。

2 DC600V车下电源逆变器技术规章

2.1 DC600V/AC380V逆变电源

（1）软启动性能。在AC380V负载下，逆变器带载启动至稳定输出电压下运行，最长持续时间不超过15秒。稳定输出电压：三相380×（1±5%）V，频率50Hz±1Hz。

（2）模拟过分相。当逆变器正常工作时，关闭600V电源，等待10秒后恢复600V电源输入，逆变器应在55-60秒内正常启动。（餐车30秒后开启）。

（3）双单元逆变器互备功能。当逆变器I的DC600V电源断开时，模拟逆变器I不能正常工作，另一个正常逆变器II必须关闭。在30±3秒后，进行热备转换，逆变器II在负载下重新启动。逆变器（I和II）的两个输出端子都装有三相交流输出，当逆变器II与DC600V电源断开时，逆变器I必须能够提供备用电源。

（4）输入过压保护。DC600V电源电压连续5分钟高于过电压保护设定值（DC700V），逆变器系统停止输出，发出故障信号，并在网络上发送故障代码。应恢复DC600V的电源，当电压正常时，应正常启动逆变电源，以消除硬线故障信号。在保护过程中，应断开主接触器、预充电接触器和输出接触器。

（5）输入欠压保护。DC600V的供电电压低于输入保护电压（DC500V）保护的设定值，保护只通过网络传输信息代码，不向硬线发出信号。当输入电压升至540V±11V时，换向系统应正常工作。在保护过程中，应断开主接触器、预充电接触器和输出接触器。

（6）输出电压稳定精度。逆变器的输入电压为25%、50%、75%、100%和110%额定负载，并且输出电压值为每一级负荷稳态精度应低于2.5%。

（7）降频降压输出。当输入电压在500V～540V范围内变化时，逆变器按控制V/f=380/50降压降频，最小输出频率至少为40Hz。

（8）三相电压不平衡度。逆变器三相输出电压的平均值与最大值（或最小值）之比，在三相平衡负载条件下，不得超过平均值的2%。

2.2 DC600V/DC110V充电机

（1）蓄电池欠压保护。连接蓄电池（或模拟供电负荷），使供电单元控制电路运行（或不使用DC600V供电），蓄电池开始放电，当蓄电池电压在DC91±1V时，产生欠压信号，欠压继电器保护;当蓄电池电压在DC97±1V时，欠压保护应恢复。

（2）模拟过分相。当充电机正常运行，DV600V电源中断10秒时，充电机应满足以下要求：从输入电源电压达到490V±5V开始到充电机正常输出的时间不超过14秒。

（3）温度补偿充电性能。在充电器的额定工况下，在不受限制的充电状态下，输出电压应在115V至125V之间，并应符合相应的温度补偿曲线。气温在-20℃、20℃、50℃达到稳定的输出电压：123V、120V、118V，精度为±1.2V电压输出。

（4）限流充电特性。充电机在运行时应具有限流充电功能，限流保护值为300V。

（5）输入过压保护。DC600V的电源电压大于输入过电压保护设定值（DC700V），连续5分钟后，充电机进行输入过电压保护并关闭输出。充电机在硬线上发出故障信号，并在网络上发送故障代码。DC600V的电源电压恢复正常时，充电器必须正常启动，以消除硬线故障信号。

（6）输入欠压保护。DC600V的电压低于保护值，输入DC500V和直流输出的充电机不能满足所需的技术条件时，需要停止输出。欠压保护只在网络上传输错误代码，不向硬线发出信号。当输入电壓恢复正常时，充电器应正常工作。

（7）负载冲击性能。在额定输入时，充电机应能在50%超载和50%减负载稳定运行时不停车或重新启动。

3 DC600V车下电源逆变器检修优化

3.1 改装置固定式为车载移动式

现有一部分逆变器安装是固定的，对线路的布置和设备的未来维护提出了一定的要求[2]。结合实际的试验过程，发现目前对试验装置的安装位置比较苛刻。针对这方面的不足，提议将试验装置固定式改为车载移动式实验小车，克服场地上的困难，不要求固定停车位置，快捷便利，也节省了检修生产场地空间。

3.2 DC600V客车逆变器试验台的创新应用

现阶段铁路部门对DC600V客车产品的需求量日益递增，生产厂家也需要相应的提高生产能力。其生产能力与DC600V客车逆变器的测试水平和测试效率有着十分重要的关系，原有的手动测试方式存在着如下弊端：效率低、设备多、规范性差、实时性差等。另外，按照铁路总公司的要求，客车在A1、A2和A3检修或故障维修时，需要对客车逆变器进行综合试验。所以从生产到维护，DC600V客车逆变器都改变原有测试方式，DC600V客车逆变器试验台应运而生。

DC600V客车逆变器试验台的原理如下，在被测试逆变器的输入侧接外部供电电源提供的DC600V和DCll0V电源，输出侧则接负载电抗器和负载电阻。主控制台对外部供电电源进行相应的控制后，被测试逆变器能实现自动启机。随后电气柜中的电压和电流传感器将供电电源及逆变器的电压电流信号传输到采集卡，工控机通过采集卡进行数据收集和处理，显示器上可以显示出各个参量的数值和各硬件的控制状态及工作状态。同时通过空气开关实现对电抗器、电阻负载控制接触器的闭合与断开功能。接下来按照铁路总公司的试验要求进行各项加载试验，试验完成后可以对试验数据进行存储和管理，并按要求打印出试验报告。计算机对整个过程的控制可以减少人为错误[3]，通过智能计算提高整个过程的效率。

4 DC600V车下电源常见问题检修维护

4.1 IGBT的一般故障原因分析

IGBT作为开关器件，具有开关频率高、驱动简单、损耗低等优势。由六个IGBT组成的三相桥式逆变电路是逆变器的核心[4]，DC600V可以经此电路逆变为三相三线的380V正弦交流电。IGBT产生故障将会使逆变器I或逆变器Ⅱ无输出，客车电气装置无法正常工作，出现这种情况主要是因为IGBT的工作特性导致。IGBT的接通与断开是由栅极电压来控制的，当在栅极施加正向电压时 MOSFET内形成通道，为PNP晶体管提供基极电流，进而使IGBT导通。当在栅极上施加反向电压时 MOSFET的通道消除，PNP晶体管和基极电流被切断，IGBT即被断开。

造成IGBT故障的原因一般有：环境温度过高使集电极损坏，集电极超出安全工作区间导致IGBT损坏、瞬态过电流导致IGBT损坏、过电压造成集电极发射极击穿或造成栅极发射极击穿。IGBT模块故障多在夏季，尤其是烧坏的故障率偏高，主要原因是由于防水防尘的需要，车下逆变器主电路外铁盒是密封的，当电流过大时引起瞬时过热，会使IGBT模块因散热不良导致的持续高温而损坏。一般情况下流过IGBT的电流过大、开关频率较高，故器件的损耗较大，若热量不能及时散掉，IGBT模块的温度将会超过最大值125℃。实际应用时，一般允许的最高温度为125℃左右。因此，逆变器在夏季的使用中，应特别注意保证逆变器的散热条件。

4.2 逆变器充电机降频降压故障分析

在现有DC600V直供电客车中，逆变器充电机运行过程中会出现输出数据内部电压交流电和交流频率降频降压，或显示故障代码“08”的故障现象，虽然不影响逆变器和充电机的正常工作，但是对客车行车安全始终存在隐患。通过对设备的多次测定，比较之下，发现电源逆变器制造厂家生产的批次不同，直接影响到此类问题的出现。通过联系设备的生产厂家技术人员进行现场检查后，对该批次车辆的车下电源逆变器充电机主控板的电源软件进行了重新编程系统升级，最终问题得到了解决。

5 结束语

本文对DC600V车下电源逆变器技术现状及检修维护进行分析，使用过程中对现有的缺陷进行认真钻研，提出整改方案。使我们能够对逆变器的相关故障及引起故障的原因进行精准的判断。至于DC600V车下电源逆变器已经完成的优化设计，必须对其漏洞进行快速的反馈，对其使用过程中发现的问题不断加以改进，这样才能够使逆变器工作的稳定性及可靠性得到进一步提高。

参考文献：

[1]刘建业，于妍，付占稳.太阳能电池三相逆变电源驱动控制方法研究[J].科技创新与应用，2016，000（002）：12-14.

[2]李德翀，李莉，王沁竹.地铁辅助逆变器数学模型的分析与研究[J].科技创新与应用，2018，000（025）：26-27，29.

[3]张以帅.DC600V车载电源故障定位与排除[J].电子世界，2020（02）：161-162.

[4]张军，卞清.基于IGBT的逆变器驱动电路设计[J].自动化技术与应用，2011（3）：103-105.