铁路客车单相逆变器交流滤波电容故障保护策略研究

耿 岩， 李 博， 张 波， 黎梅云

(1. 中国铁路呼和浩特局集团有限公司，内蒙古 呼和浩特 010057；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

铁路客车单相逆变器主要为本车的插座提供AC 220 V/50 Hz单相交流电源，其可靠性直接影响本车乘客插座连接负载的安全稳定，甚至影响乘客的用电安全。

F101、F102.熔断器；KM101、KM102.接触器；R101、R102.电阻；L101、L102.交流电抗器；C101、C104、C105、C106、C107、C108.电容；Q101～Q103.IGBT桥臂；T101.工频隔离变压器。图1 铁路客车单相逆变器主电路原理图

在列车运用过程中，因为单相逆变器的内部器件本身故障、输入电源或负载异常等原因，可能会导致输出产生过电压，引发用电安全。因而，单相逆变器输出侧过电压保护策略的全面可靠尤为重要。

近年来，铁路客车单相逆变器多次发生过因交流滤波电容故障导致输出过电压烧毁负载的问题。经过调查发现，单相逆变器在发生交流滤波电容故障后，输出电压升高，超出技术要求，但未触发输出过压保护动作，仍持续工作最终导致负载过压烧损。

本文将探讨这类故障产生的机理以及现行保护失效的原因，并研究有效的保护策略。

1 工作原理

主流的铁路客车单相逆变器为统型产品，其主电路原理图如图1所示。

铁路客车单相逆变器的设计参数遵循TJ/CL251—2012《铁道客车DC 600 V电源装置技术条件》 中的要求。

单相逆变器将输入的DC 110 V直流电压经boost升压整流电路变换输出稳定的DC 350 V直流电压，经全桥逆变电路转换为交变脉冲电压，通过LC输出滤波器滤除交变脉冲电压中的高频部分，由工频隔离变压器隔离输出AC 220 V/50 Hz交流电压。

如图1所示，C107、C108为交流滤波电容，与交流电抗器L102构成交流输出LC滤波电路，TV103为有效值电压传感器。

2 交流滤波电容开路试验分析

依据TJ/CL251—2012，对单相逆变器的输出电压要求如下：

(1) 输出电压总谐波失真(THD)≤10%；

(2) 输出电压精度为AC 220(1±5%) V。

本文将在输入电压为DC 110 V、输出空载时，通过通断C107、C108与L102的连线，来对比电容开路故障前后的输出电压情况。

2.1 正常工况

图2为正常工况下示波器测量的单相逆变器实际输出电压波形，图3为正常工况下服务监控软件测得的单相逆变器输出电压幅值，输出电压波形和幅值均满足技术要求。

图2 正常工况下示波器测量的单相逆变器实际输出电压波形

图3 正常工况下服务监控软件测得的单相逆变器输出电压幅值

2.2 电容开路工况

切断C107、C108与L102的连线，模拟电容开路。图4为电容开路工况下示波器测量的单相逆变器实际输出电压波形，图5为电容开路工况下服务监控软件测得的单相逆变器输出电压幅值，结果对比见表1。

图4 电容开路工况下示波器测量的单相逆变器的实际输出电压波形

图5 电容开路工况下服务监控软件测得的单相逆变器输出电压幅值

表1 正常工况和电容开路工况下的试验结果

由表1可以得出以下结论：

(1) 正常工况下，单相逆变器的实际输出电压和服务监控软件测得的输出电压基本一致，有效值基本都为220 V；且单相逆变器输出电压波形为正弦波，波形光滑，谐波含量少。

(2) 电容开路工况下，由示波器采集的输出电压波形为脉冲电压，谐波含量高，即THD超标；单相逆变器服务监控软件测得的输出电压有效值为220 V，而实际输出电压有效值为276 V，输出电压幅值超过上限(220×(1+5%)=231 V)。

3 电容开路时保护失效原因

综上，发生电容开路故障时单相逆变器输出问题有输出电压THD超标和输出电压精度超限，下文将围绕这两点对电容开路时保护失效原因进行分析。

3.1 输出电压THD超标

如图1所示，当C107、C108电容故障或连接线路异常导致LC滤波器电路中的电容开路时，LC滤波功能失效，传递给后方的输出电压为交变脉冲电压，直接经T101传递到负载侧。而控制板以TV103采集到T101输出的交变脉冲电压为反馈，通过闭环控制，实现对输出电压精度的要求。

由于此时单相逆变器输出电压为交变脉冲电压，而非标准要求的正弦电压，即输出电压中的高频谐波没有被滤除，导致输出电压THD超标。

3.2 输出电压精度超限

按照TJ/CL 251—2012要求，单相逆变器输出电压传感器为有效值电压传感器，内有低通滤波功能，可输出采集电压的有效值，且输出平稳。

图6为有效值电压传感器的内部电路原理图，内部电路中设置有RC一阶低通滤波器(图6中蓝框部分)，起到对采集电压的低通滤波作用。在RC一阶低通滤波器中，R12=100 kΩ，C3=1 μF，其低通截止频率fc=1/(2πRC)=1.6 Hz，对逆变输出的交变脉冲电压滤波效果显著。

R.电阻；T.三极管；VCC、GND.运算放大器U1的供电电源的正极、负极；M1.电压采集电路的输出端；D.二极管；C.电容。图6 单相逆变器有效值电压传感器内部电路原理图

在交流滤波电容开路后，虽然有效值电压传感器的采集电压高频谐波含量高，但因传感器自身的低通滤波功能，其采集电压中的高频部分被滤除，输出结果与正常工况的数值接近。此时检测的采集电压比实际低，而闭环控制输出的实际电压偏高。表1中正常和电容开路工况下单相逆变器的中间电压、PWM占空比基本一致，验证采集失效。

综上，单相逆变器采用了有效值电压传感器，电容开路时实际输出电压偏高(276 V)，但因有效值电压传感器中存在低通滤波器，导致采集的输出电压偏低，闭环控制失效，输出过压保护动作不能触发。

4 可行保护策略

4.1 策略分析

结合故障原因分析，要对电容开路工况下的输出过压进行保护，应准确获取实际的输出电压情况。

(1) 应对输出电压进行瞬时采集，即将电压传感器的类型由有效值电压传感器调整为瞬时值电压传感器。

(2) 采用瞬时值电压传感器时，根据香农采样定理，要获取采样波形，采样频率应至少为原波形输出频率的2倍。此时，应以兼顾满足准确还原信号和耗用采集资源少为原则，提升采样频率。

假定单相逆变器逆变控制的开关频率为fk，且单相逆变器的控制方式为单级倍频，如图4所示，电容开路工况下，单相逆变器的输出电压波形为脉冲波形，其输出频率是开关频率的2倍，即2fk。因而，提高采样频率fs，至少应为输出频率的2倍，即fs≥4fk。

4.2 策略确定

电容开路工况下，在使用瞬时值电压传感器且fs≥4fk的基础上，确定了2个可行保护策略。

策略2：增加输出电压波形的THD软件侧的超限保护。参考判据为：THD>10%持续1 s时，单相逆变器停机保护。

5 仿真验证

使用MATLAB软件中的Simulink搭建单相逆变器仿真模型, 如图7所示。从仿真角度验证可行保护策略1、策略2的有效性。

PWM.单逆全桥逆变的4路IGBT的驱动脉冲；Vout.输出电压传感器；Vout RMS.输出电压有效值显示示波器。图7 单相逆变器仿真模型

5.1 策略1验证分析

通过仿真分析，验证单相逆变器交流滤波电容开路工况下，在fs=fk、fs=2fk、fs=4fk这3种采样频率下，采样结果对输出电压波形的还原情况。

图8为输出电压DC 110 V、输出空载、电容开路工况下，单相逆变器的实际输出电压波形和3种采样频率下的输出电压采集波形。

图8 电容开路工况下单相逆变器的实际输出电压波形和3种采样频率下的输出电压采集波形

图9为电容开路工况下单相逆变器的实际输出电压有效值计算结果和采样频率下的输出电压有效值计算结果。

图9 电容开路工况下单相逆变器的实际输出电压有效值计算结果和采样频率下的输出电压有效值计算结果

由图8、图9可以看出：

(1)fs=fk、fs=2fk时，无法准确还原实际输出电压波形，采集不到峰值电压，若用其采样结果进行输出电压过压保护时，从输出电压有效值、输出电压瞬时值两点保护上，均无法对单相逆变器进行输出过压保护。

(2)fs=4fk时，可比较准确地还原实际输出电压波形，并能采集到峰值电压，且其输出电压有效值计算结果与实际情况比较接近。在电容开路工况下，其采样结果从输出电压有效值、输出电压瞬时值两点保护上，均可对单相逆变器进行输出过压保护。

5.2 策略2验证分析

通过仿真分析，对正常工况和电容开路工况下的单相逆变器的输出电压波形进行FFT分析，得出2种工况下输出电压波形的THD仿真结果。

图10、11分别为正常、电容开路工况下单相逆变器输出电压波形的THD仿真结果。

图10 正常工况下单相逆变器输出电压波形的THD仿真结果

从图中可以看出，在这2种工况下，输出电压波形的THD有明显区分：在正常工况下，THD(2.3%)<10%；而在电容开路工况下，THD(49.1%)>10%，即THD保护判据可用于识别电容开路故障工况。

图11 电容开路工况下单相逆变器输出电压波形的THD仿真结果

综上，从仿真角度验证可行保护策略1、策略2均是有效的。

6 结论

交流滤波电容故障(开路)后，有效值电压传感器无法识别输出脉冲电压，而采用瞬时值电压传感器并配合至少4倍开关频率的采样频率时，采样值可真实反应实际输出电压情况。

基于此，可对铁路客车单相逆变器设置以下可行保护策略：(1)输出电压有效值过压保护和瞬时值过压保护；(2)输出电压THD超限保护。

本文研究的可行保护策略可为类似产品和相同的拓扑电路提供参考借鉴，同时，可参考借鉴应用于轨道交通用单相逆变器、三相逆变器等辅助电源产品。