某有轨电车项目辅逆切除故障分析及优化

彭梦扬

中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲，412001

0 引言

传统有轨电车由于车顶空间问题，车辆整车通过两台辅助逆变器给全车提供稳定的交流和直流电源，其中一个辅助逆变器无交流输出，所以仅通过一台主辅助逆变器为整车提供交流辅助电源。

辅助逆变器故障对交流网络影响最大的是牵引风机，如果该辅助逆变器出现故障，牵引箱的风机都将无法正常工作，最终导致牵引逆变器散热不畅也无法实现其具体功能。

传统的轨道车辆，如国内的地铁车辆，为提高辅助系统的供电可靠性，采用了并网供电和交叉供电的方案[1-2]，并取得了一定的效果。对辅助逆变电源并联运行控制研究[3-5]也验证其具备较好的同步性。但以上方式无法适用于现代储能式有轨电车。储能式现代有轨电车普遍采用的并联供电方案，是在车辆不额外增加空间、设备的基础上，利用客室空调作为冗余设备来输出交流电，从而保证车辆运行可用性[6]。

有轨电车的“辅逆切除”是用于车辆运行过程中，当主辅逆故障无法正常工作时，通过司机手动操作“交流切除”旋钮，断开主辅逆与交流母线间的线路，将客室空调作为备用辅逆为交流负载供电的重要功能。

1 供电问题描述及分析

1.1 交流供电设计描述

某有轨电车项目整车交流母线负载包括：牵引系统冷却风机、司机室空调、一体式电源（负载为足部加热器、车窗加热）。车辆辅逆正常情况下，辅逆作为三相AC400V电源，为负载提供交流电。在车辆辅逆故障情况下，由列车司机通过“交流切除”控制旋钮手动切除辅助逆变器，通过增加此三相母线隔离控制旋钮，驱动继电器=33-K02，通过=33-K02继电器的动作使=33-K01动作，=33-K01动作后，其触点与交流母线之间的连接断开，从而将辅助逆变器从车辆三相母线上分离。

车辆辅逆切除时，“交流输出”控制接触器断开，此时客室空调作为三相AC400V电源，直接输出于交流母线为交流负载进行供电，图1为车辆三相电源至交流负载端线路示意图。

1.2 问题描述

在实际测试过程中，通过车辆发出“辅逆切除”硬线指令来触发切除主辅逆，投入客室空调作为备用辅逆的命令后，现象为：交流输出控制接触器断开，即主辅逆顺利停止输出，各交流负载停止工作，主辅逆报“SIV过流故障”。

排查故障的过程中，仪器测量客室空调交流输出波形如图2。

观察客室空调输出电压波形参数，发现其峰值在750V左右，波形为以一定频率包络变化的方波，无法满足列车交流负载性能要求，其较高的峰值还可能导致额定电压为400V左右的负载烧毁。

随后在对交流器件的排查中，发现司机室空调内部三相滤波、整流桥、电容等板件被烧毁，无法工作，图3为烧损的器件受损图片，受损部位已被熏黑。

1.3 问题分析

1.3.1 主辅逆工作输出波形

当主辅逆正常工作时，将外部DC750V电源逆变为三相交流电，测得此时主辅逆输出波形如图4所示。

可以看出主辅逆输出的电压为三相AC400V、频率为50Hz左右的三角函数波形。那么当客室空调作为备用辅逆时需输出频率50Hz左右、电压范围在AC400V左右的交流电才能保证各交流负载能够正常工作。

1.3.2 空调机组控制逻辑分析

空调机组输出三相交流电的控制逻辑为：辅逆切除时，空调机组控制器检测到车辆发来的“交流切除”信号为高电平，控制器通过485通讯方式控制变频器开机，对交流负载输出三相交流电。

这种设计的问题是：由于“交流切除”接触器前增加了延时继电器，导致系统在收到“交流切除”命令5s后，“交流输出”才变为低电平，导致在这5s的时间差内，主辅逆的三相输出还未停止，空调已开始三相输出，就会出现叠加情况。

综上，我们得出烧毁司机室空调内部器件，主辅逆报“SIV过流故障”的原因可能有两个：

（1）客室空调输出电压峰值超过司机室空调所能承受的最大值；

（2）存在主辅逆还未切断三相输出客室空调就已经启动输出的情况，造成电压峰值叠加，可产生1000V以上的电压值。

2 优化方案

2.1 电压叠加问题优化方案

电压叠加问题的优化有两个方面：

（1）供电回路中增加2个接触器K1、K2。主辅逆（SIV）正常工作的时候，K1吸合，K2 断开，K1和K2硬件互锁。当客室空调接收到辅助逆变器三相切除信号后，K1断开，再间隔数秒后K2吸合，控制系统发出指令，客室空调变频器启动输出三相交流电驱动牵引风机及其余交流设备正常工作。当客室空调接收到辅助逆变器故障解除信号持续一定时间后，客室空调逆变器停止工作，K2断开，再间隔数秒后 K1吸合，客室空调根据硬线信号的指令正常运行。当客室空调重启后，将重新保持 K1闭合、K2断开。具体电气拓扑如图5，一个接触器触点串联至另一个接触器线圈中，硬线互锁。

（2）为了防止接触器卡滞导致无法断开，对软件控制逻辑进行如下优化：① 更改客室空调控制软件，在收到“交流切除”硬线信号后，延迟5s再输出三相交流电；当“交流切除”硬线信号后恢复后，立即停止输出。② 更改主辅逆控制逻辑，在“交流切除”硬线信号恢复后，延时5s再输出三相交流电。通过以上的优化，排除电压叠加的可能性。

2.2 客室空调输出波形优化方案

通过研究客室空调三相电输出接口，我们发现该产品在设计时存在缺陷，即未对空调变频器的输出电源进行滤波处理。对此，我们提出的整改方案是：在输出端增加正弦滤波器，图6展示的就是整改前后的电气原理图。

优化方案描述：

（1）电抗器和电容固定在增加的钣金安装组件上（图7），打开电控盒盖，从电控盒内部使用M6螺栓将增加的钣金固定在电控盒底部。

（2）将连接器XP22插头的D5/D6/D7插孔用退针器退出，将连接器XS4插座的d1/d2/d3插针用退针器退出，拆下线束。

（3）制作XP22插头的D5/D6/D7到转接连接器XT20:1/XT21:1/XT22:1的线束，制作转接连接器XT20:2/XT21:2/XT22:2到电抗器U1/V1/W1的线束，XP22插头一端压接插孔G08170300089；电抗器一端压接2-4端子G08170000111；导线连接器一端压接G08170000469预绝缘冷压端子。导线连接器固定于电控盒支架的线扎上。

（4）将电容自带线U2/V2/W2分别对应连接到电抗器的U2/V2/W2接线端子。

（5）制作连接器XS4插座的d1/d2/d3到转接连接器XT17:2/XT18:2/XT19:2的线束，制作转接连接器XT17:1/XT18:1/XT19:1到电抗器U2/V2/W2的线束，XS4插座一端压接插针G08062400036；电抗器一端压接2-4端子G08170000111；导线连接器一端压接G08170000469预绝缘冷压端子。导线连接器固定于电控盒支架的线扎上。

（6）整理固定整机线束。

安装后示意图如图8所示。

通过以上方案优化，变频器输出的电压波形为PWM波或SPWM波，这是一种类似于方波的波形，通过在客室空调三相输出端增加正弦滤波器，可以把图2这种PWM/SPWM波纠正成为较为标准的与图4中波形相似的波形，从而满足各类交流负载的用电要求。通过实测，我们得到增加了正弦滤波器后的客室空调三相输出波形如图9所示。

图9显示，我们最终得到了频率在55Hz左右、电压409V左右、峰值电压约550V的波形，符合本项目交流设备的用电需求。

3 结语

有轨电车通过利用客室空调逆变器作为备用辅逆实现冗余设计，提高车辆运行可行性。“辅逆”时，虽然“辅逆切除”功能在正常运行时不会启用，但是在主辅逆故障时，需要立即开启客室空调作为备用辅逆，为交流负载供电。为了保证车辆交流负载正常工作，需要客室空调输出的电源质量与主辅逆接近，且还要把主辅逆与客室空调可能存在同时输出产生电压叠加的可能性排除。