AC01/02型電動列車輔助逆變器及其故障的分析研究*

余 強

(上海申通地鐵集團有限公司維護保障中心,200092,上海∥高級工程師)

AC01/02型電動列車輔助逆變器及其故障的分析研究*

余 強

(上海申通地鐵集團有限公司維護保障中心,200092,上海∥高級工程師)

分析了AC01/02型電動列車輔助逆變器的基本電路結構,闡述了輔助逆變器中IPM模塊及其驅動電路與故障監控的原理。詳細介紹了AC01/02型電動列車自引進以來IPM模塊的故障及其嚴重影響列車正常投運的情況,并對IPM模塊的故障進行統計與分析。針對故障采取了相應的對策,取得了一定的效果,并提出了幾點建議。

地鐵車輛;輔助逆變器;IPM模塊及其驅動電路;故障監控

Author's addressMaintenance Support Center of Shanghai Shentong Metro Co.,Ltd.,200092,Shanghai,China

1 AC01/02型電動列車輔助逆變器概述

上海軌道交通AC01/02型電動列車自引進至今已運營了10余年,其輔助電源系統屬分散供電,每輛車配一臺輔助逆變器。輔助逆變器為模塊化結構,基本上由A11～A14模塊構成。由于其中關鍵模塊采用IPM(智能功率模塊)器件,故也稱為IPM輔助逆變器。AC01/02型電動列車拖車(A車)與動車(B、C車)的輔助逆變器在構造上有差異。

圖1所示為A車的輔助逆變器。其中較為突出的是帶中線的三相四線逆變器,它和升壓穩壓斬波器一起構成A14模塊(稱A14.1)。A14模塊采用IPM器件(也稱IPM模塊),容量為45 kVA。該輔助逆變器中A13模塊由降壓穩壓斬波器與諧振式DC/DC變換器組成(也稱A13.1模塊),也采用IPM器件,是低壓直流電源或蓄電池充電電源;其容量為22 kW,輸出為DC 110 V,需要時電壓可調整。

B、C車的輔助逆變器是容量為90 kVA的普通的二電平三相逆變器,稱為A14.2模塊。其前級是雙重升壓穩壓斬波器A13.2模塊(見圖2)。這兩種模塊也都采用IPM器件。

由圖1和圖2看出,它們的A11、A12模塊的結構與電路是相同的,都是帶高頻變壓器隔離的諧振式DC/DC變換器;其輸入側兩個電容串聯分壓,輸出側為直流并聯輸出。這樣連接可使輸入處的兩個串聯電容具有自動均壓作用。這兩個模塊中采用的是三菱公司生產的1700 V等級的IGBT(絕緣柵雙極晶體管)器件,其外形上也有些特殊。

A車的輔助逆變器中所用的IPM器件有300 A/1200 V,600 A/1200 V與75 A/1200 V,400 A/600 V等多種規格。其外形尺寸較大,驅動接口特別,與通用型的IGBT模塊不能兼容。其中A14.1模塊中IPM器件故障概率較大,約占總故障的48%,到后期升至73%,甚至到A14.1模塊幾乎無備品備件的地步。并且此類IPM器件是三菱公司獨家生產,其中有些型號的產品(如規格為75 A/1200 V的 IPM器件)要停產,其備品備件不能保證。

考慮到IPM器件的故障率高、備件不能保證等,為此對其故障進行深入分析與研究,以采取相應的對策;同時考慮采用通用型的IGBT器件進行國產化替代研制,以作好技術儲備。

圖1 A車輔助逆變器

圖2 B、C車輔助逆變器

2 A車輔助逆變器分析

A車輔助逆變器中的關鍵部件是三相四線逆變器,與升壓穩壓斬波器一起構成A14.1模塊。將輸入電感L2和輸出電感L3及濾波電容模塊A15添入,即為圖3所示的用于分析的完整電路單元。此電路由兩部分組成:第一部分為升壓穩壓斬波器,其輸入為A11、A12模塊輸出的可變DC 300～600 V電壓(這是跟隨網壓而變化的),輸出為穩定的DC 650 V電壓;第二部分為三相四線逆變器,其中線構成的方案較多。在此,中線(即零線)采用圖3所示方式,接有電感和電容組成的濾波器,通過上、下管的交替通斷來形成中線,以獲得50 Hz 380 V/220 V的三相四線交流電壓。

圖3中的升壓穩壓斬波器的結構和控制與通常的升壓斬波器相同,本文主要對其中的三相四線逆變器進行分析研究。對于接有輸出濾波器的三相逆變器,必須注意濾波器參數與逆變器開關脈沖頻率之間的關系及其對逆變器性能的重要影響。

圖3中,三相濾波電感每一相的電感值為0.25 mH,中線相的電感值為0.75 mH;濾波電容模塊中各個電容值為 76 μ F;三相濾波器的諧振頻率為1.15 kHz。對于三相四線逆變器,逆變器的開關脈沖頻率為6 kHz,逆變器的輸入電壓是調整后的穩定的DC 650 V。通過MATLAB仿真分析可以得出,為使逆變器的輸出波形好(盡量接近正弦波),開關脈沖頻率要高些為好,且濾波器的參數要合適。即濾波器的諧振頻率要遠大于輸出的基波頻率,但又要明顯小于開關脈沖頻率。本例中前者20余倍,后者約五分之一。參數為上述正常值時,逆變器的仿真波形如圖4所示。

圖3 A14.1的電路原理圖

圖4 參數正常時(電感0.25 mH、電容76 μ F)的仿真波形

由圖4看出,正常工況時逆變器輸出的電流、電壓波形好(圖(a)和(c)),接近正弦波;逆變器輸出的中線相的電流在對稱情況下是很小的。

參數變化不正常(如電感50 μ H、電容2 μ F)時的仿真波形,其濾波器的諧振頻率約為16 kHz。由于開關脈沖頻率為6 kHz,經傅氏展開后有16 kHz左右的高次諧波存在,則在此附近會引起諧振而導致電感電流和輸出電壓產生過流與過壓,嚴重時將會引起電感過熱性能變劣或管子損毀;中線相的電流比參數正常時大了些,由于其三相仍對稱,故其還是較小的。

當濾波器參數變化使其諧振頻率等于6 kHz時,由于開關頻率也為6 kHz,便產生諧振。諧振時會引起很高的電流與電壓(達6000 A、20000 V)應力,這是絕對不允許的。

對A14.2模塊(即三相逆變器電路)進行仿真計算,可以看出具有相同的結論。

3 IPM器件及其驅動電路

3.1 IPM器件簡述

IPM器件(或智能模塊)是一種在IGBT器件基礎上再集成了柵極驅動電路、故障檢測電路和保護電路的電力電子模塊。具體說,是在一個基本的IGBT器件上再集成了驅動電路及欠電壓、過流、短路、過熱等故障檢測保護電路,以及一個對外輸出信號為FO的故障輸出電路。IPM內部的驅動電路需要提供15 V的穩定電源,由于與門極靠得很近,故不需要負偏置電壓;其驅動的控制信號要求5 V的控制脈沖信號。IPM內部的欠電壓、過流、短路、過熱等故障保護電路都有相應的檢測單元或傳感器,其保護信號通過“或”門邏輯電路對外輸出一個FO的故障保護信號;只要有一個故障保護環節檢測到故障信號,都可使驅動環節封鎖驅動信號,關閉IGBT。

3.2 地鐵車輛輔助逆變器用的IPM驅動電路

雖然IPM器件內部具有驅動環節,但在器件外部還是需要一個相應的外部驅動電路。其主要實現三種功能:①提供電氣上隔離的15 V驅動電源;②給出IPM器件所需的5 V驅動控制脈沖信號;③具有對故障輸出信號FO的處理環節。對后二點,同樣具有電氣上隔離的要求。在地鐵車輛輔助逆變器中,是采用光纖接受器和光纖發射器來實現電氣上隔離的功能。

AC01/02型車輛輔助逆變器中的外部驅動電路框圖見圖5。首先,由N1和V2及高頻變壓器T1構成的隔離式DC/DC變換器,再經V20、C20環節整直,構成電氣上隔離的驅動IGBT所需的+15 V電源;再由N20輸出光纖接受器與發射器及驅動信號所需的+5 V電源。其次,通過光纖接受器U2將頻率6 kHz的光脈沖信號轉換為5 V的6 kHz電脈沖信號,作為IPM 的驅動信號。再次,N21單元是一個由555集成芯片構成的多諧振蕩器,產生(110±20)kHz脈沖電壓波形(占空比約0.7),其經光纖發射器U1輸出頻率相當的檢測故障的光脈沖信號,用于故障檢測(或監控,或故障登記)。

圖5 IPM的外部驅動電路原理框圖

3.3 對應IPM故障所給出的故障代碼

由圖5看出,N21和U1構成檢測故障(或監控)環節,其通過光纖發射器輸出光脈沖信號給輔助逆變器主控器中的光纖接收器,變為電脈沖信號后輸給微處理器控制單元來處理;這樣,各個IPM器件通過其外部驅動電路的監控環節給出不同故障的相應故障代碼。

在供應商提供的資料中,對IPM器件的監控規定如下:正常工作時,檢測故障環節通過光纖提供(110±20)kHz連續的電壓脈沖振蕩信號;若IPM故障,則圖5中的N21單元停振,此時光纖發射器在故障期間不發光;若無 IPM器件或無驅動電路板,同樣N21單元會停振,此時光纖發射器會持續點亮。對于1個IPM器件,設計對應的故障代碼有三種:①無IPM或無驅動電路(或無驅動信號,柵極驅動環節壞)的故障代碼;②產生過電流并發生了n次的故障代碼;③產生過熱(或欠壓)的故障代碼。如A14.1模塊L1相的下管(即V3(-)管),對應的三種故障代碼為E171、E172和E173。對輔助逆變器電路中的每一個IPM都有三種故障代碼。

此外,資料中對IPM 的監控又規定:過流監控,反饋信號中斷(即N21停振)時間 t為1 ms＜t≤2 ms;過熱監控,反饋信號中斷時間t＞2 ms;電源欠壓監控,中斷時間t＞2 ms。這些規定是根據IPM器件的特點及對故障保護定義來設定的。

4 對IPM器件的故障分析

AC01型車輛輔助逆變器中由于采用較多的IPM器件,故也稱其為IPM輔助逆變器。在該逆變器中,對每個IPM器件或IGBT器件都有監控,并提供相應的故障代碼。AC01型車輛自投入運行以來,IPM器件的故障率一直比較高。在供應商提供的維修資料中,凡涉及IPM故障,就要將此IPM及其驅動電路板一起更換。因而至2007年的統計中,IPM已更換200余塊,相應的驅動電路板也被更換,還有驅動電路板的修理費等,致使運營維護費用很高。

供應商提供的資料中,對IPM模塊的故障代碼及其故障的定義也往往與實際觀察分析的對不上號。例如,反映的故障代碼是IPM過熱,但實際分析與測量中并未過熱;而故障代碼為IPM過流,實際分析與觀察中也并非如此。此外,說起來IPM對短路保護很靈敏,而實際中IPM被燒毀或被炸掉的也不少。

對運行中所暴露的故障作進一步分析,筆者有如下幾點看法:

(1)在供應商給出的監控資料中,未提及短路故障及其相應的故障代碼,短路故障也只能按過流故障來處理。這就存在一定的問題:雖然在實施短流保護后有約1.8 ms的鎖定時間,但在此鎖定時間后,若故障仍未消失,則又會在驅動信號作用下觸發導通,于是再次發生短路;這樣持續下去,對于頻率為6 kHz的觸發開關,這1 s時間內將會出現幾百次短路故障。短路故障雖能快速切斷,但對器件是有損害的。在產品目錄中,也規定只能保護100次而已,因而器件被燒毀或被炸掉仍會發生。此情況在監控資料中未提及,也沒有相應的措施。

(2)根據仿真計算分析,當輸出濾波器參數變化使其諧振頻率超出開關脈沖頻率,就會出現電壓與電流應力,導致IPM 損壞。由于實際運行中濾波電感發熱厲害,其參數變化與性能下降也可能會造成管子被炸。

(3)IPM器件經常報出過熱的故障代碼,而在實際的測試中(如貼溫度片)觀察到周圍的環境溫度也只有60℃左右;而且對過熱采取了較好散熱措施后,環境溫度有明顯的下降,但過熱故障代碼仍出現。對故障代碼分析后知:因為故障代碼是以故障反饋信息中斷時間t＞2 ms,來報的,這樣,由于其他原因,如列車運行中接插件松動等致使t＞2 ms也就誤報了。另外,由于開關頻率高(6 kHz),主模塊損耗大,模塊內部發熱也高,是否也會對其有影響。

(4)一塊外部驅動電路板上有7個接插件(3個是電氣的,4個是光纖座的),由于維修時要經常拔插,次數太多,會使其接觸不可靠;加之列車運行中常伴有沖擊與振動,以及這些接插件本身或壽命上的一些問題,也可能會帶來對IPM故障的誤報。

(5)所用的IPM兩單元器件如PM300 DVA120從開關時間來看,導通快、關斷慢,而死區時間為4 μ s接近限界值,因而也要考慮到管子性能變化帶來的影響。

通過上述分析,采取了相應的措施。如:對接插件的更換與更新,對IPM及其驅動電路板的重新測試,對濾波電感參數變化趨勢的測試分析等,同時依靠國內力量開發了相應的驅動電路。這些措施都取得了較好的收效,降低了運營維護的成本。

5 幾點結論

(1)AC01型車輛輔助逆變器采用高頻變壓器隔離,大大減輕了質量,且逆變器和斬波器開關頻率高,電氣性能好,屬技術先進水平的產品。但由于采用的IPM器件故障保護靈敏,帶來了魯棒性不足,以致故障不斷、運營維護成本高。對地鐵運營部門來說,先進性是好,但更重要的是可靠性要高。經對國外生產的、已投入運行的地鐵車輛統計來看,采用IPM輔助逆變器的車輛也是非常少見的。

(2)輔助逆變器中所用IPM器件品種規格多,且是三菱公司獨家生產,時常發生備品不能及時供應而影響出車。為此,必須要考慮到這些IPM今后的前途。如果某些型號停產或改型等都會使備品成問題,故要做好采用通用的IGBT替代的技術儲備工作。

(3)對IPM的外部驅動電路板及其他控制電路板,要及時做好國產化的開發工作,一方面可降低成本,另一方面也保證了供貨源。

[1]陳國呈.PWM變頻調速及軟開關電力變換技術[M].北京:機械工業出版社,2001.

Analysis of the Auxiliary Inverter and Its Failure for AC01/02 Type Electrical Train

Yu Qiang

This paper analyzes the basic circuit principle of the auxiliary inverter system for AC01/02 type electrical train,describes IPM(internal polarization modulator)unit,its driving circuit and the principle of fault monitoring.Because IPM unit breaks down constantly,it has affected the vehicle operation rate seriously.The paper makesstatistical analysis of IPM unit fault,and takes appropriate measures against it to achieve the corresponding effects.

metro vehicle;auxiliary inverter;IPM unit and its driving circuit;fault monitoring

U 266.3+72

*上海市科學技術委員會科研計劃項目(09111100202)

2010-09-11)