AC10型電動列車輔助逆變器故障分析

施佳偉

（上海交通大學自動化系，200240，上海∥助理工程師）

列車輔助逆變器的主要目的是將直流電壓轉換為擁有恒定幅度和頻率的三相交流電，為制動系統的空氣壓縮機、列車設備內部冷卻風扇、客室及司機室空調等三相負載供電。由于輔助逆變器的工作狀態是否良好嚴重影響到列車運營狀態，故及時排除輔助逆變器故障就成為檢修的重要任務。本文對AC10型電動列車輔助逆變器在運行中出現的故障進行分析，確定其原因。

1 輔助逆變器簡介

1.1 輔助逆變器供電原理

輔助逆變器模塊（Auxiliary Converter Module，簡為ACM）安裝于動車，由其將觸網1 500V直流電逆變為三相50Hz 660V交流電，再通過三相變壓器轉換成穩定的三相50Hz 380V交流電提供給負載，如圖1所示。

圖1 輔助逆變器模塊供電原理

1.2 輔助逆變器的結構組成

輔助逆變器主要由輸入電流和電壓檢測模塊、電容模塊、放電電阻模塊、過壓保護模塊、逆變模塊、輸出電流檢測模塊等6部分組成，如圖2所示。其中，輸入電流和電壓檢測模塊負責對ACM的輸入電壓、電流進行檢測，若發現過壓或過流現象，過壓保護模塊將動作，使ACM軟關斷，同時通過電阻將能量消耗掉；輸出電流檢測模塊檢測輸出的二相電流，若發生三相系統過載或者短路、IGBT（絕緣柵雙極晶體管）擊穿等故障，則使ACM保護性關斷；電容模塊用以穩定直流輸入電壓、吸收負載無功功率、減小對電網的諧波干擾。

圖2 輔助逆變器結構組成

1.3 逆變工作原理

AC10型電動列車輔助逆變器采用三相橋式電壓型逆變器（圖3所示為單相橋式逆變電路），通過網絡傳輸信號至GDU（門極驅動單元）模塊，控制IGBT的開關斷。逆變電壓波形如圖4所示。

圖3 三相橋式逆變電路

圖4 逆變電壓波形

2 輔助逆變器的監控和保護功能

AC10型電動列車輔助逆變器采用網絡控制，通過各種傳感器采集數據，對輔助系統實時監控、保護。輔助系統控制框圖如圖5所示。

為了在啟動大負載（如壓縮機等）時啟動電流不至于過大，輔助系統采取了限制交流電流的措施，通過控制交流輸出電壓將交流電流限制在安全級別上。同時，對相關的電流、電壓和溫度進行監視，以確保它們的輸出值在容許范圍內。輔助系統的電源電路元件如三相電抗器和變壓器也采取適當的措施進行保護。

圖5 輔助系統控制框圖

重要的保護功能包括：電流保護，IGBT過流保護，IGBT轉換故障探測，IGBT溫度過高保護，直流線路過壓保護，輔助系統接地故障，輔助負載電壓保護，接觸器監測。

3 輔助逆變器典型故障

3.1 故障事件

2010年6月17日8：09，上海軌道交通7號線0733車駕駛員報列車在耀華路站上行高速開關斷開，手動分合成功；8：16，駕駛員報718次0733車錦繡路站上行2個輔助逆變器紅色，4個高速開關分，無法動車；8：20，0733車處理無效，調度所指導駕駛員采用緊急牽引方式動車；8：21，駕駛員報0733以緊急牽引方式可以動車，但車速僅1km／h。8：22，調度命令清客并做好救援準備；8：23，駕駛員切除ATP（列車自動防護）后，HMI（人機界面）報多種故障；8：26，清客完畢，8：32，故障車救援至龍陽路停車庫。

3.2 故障現象

檢修人員上車檢查發現：

（1）0733號列車于8：03在60km／h制動工況下，在128ms內觸網網壓從1 671V瞬間上升到2 188V，導致列車4個高速開關跳開且2個輔助逆變器保護性關斷（見圖6）。

圖6 網壓瞬間升高輔助逆變器、高速開關跳開

（2）8：03時2個輔助逆變器保護性關斷使列車無三相380V交流電輸出，導致4個牽引系統的通風風扇無法工作，致使8：09時4個牽引逆變器報過溫故障。8：12列車因牽引系統溫度過高而全部保護性關斷，列車無法牽引（見圖7）。

圖7 牽引系統因溫度過高保護性關斷

3.3 故障分析

經分析認為，7號線正線觸網為剛性觸網（見圖8），在2根鋁合金鋁排過渡處錨段關節觸網條件不是很好，與受電弓碳滑板處于非平行狀態，導致列車通過時產生跳弓現象。

圖8 7號線剛性觸網

由于跳弓時列車處于60km／h電制動狀態，此時的反饋能量最大，列車再生制動產生的反饋電壓直接全部加載在輔助逆變器上，導致輔助逆變器報過壓故障，過壓保護模塊開始工作（見圖9），能量由OVP（過壓保護）電阻消耗。雖然之后電壓恢復正常，但OVP電阻卻未降到標準溫度，最終導致ACM隔離。

圖9 輔助逆變器過壓保護模塊

ACM隔離后，牽引系統內部風扇因無380V電源不能工作，最終導致牽引箱內部溫度升高，MCM（牽引電機逆變模塊）隔離（見圖7）。

3.4 故障解決

此故障的關鍵在于OVP電阻的溫度未降到標準值。為此，從軟件、硬件兩個方面來解決。

3.4.1 軟件方面

（1）輔助逆變器OVP參數設置：當網壓上升到2 050V時OVP開始工作，網壓下降到2 000V時OVP停止工作（見圖10）。當OVP溫度小于440℃，輔助逆變器允許重新啟動（原先為225℃）；當OVP溫度大于450℃，輔助逆變器將保護性關斷（見圖11）。

圖10 OVP工作參數（網壓）

圖11 OVP工作參數（溫度）

（2）牽引逆變器制動斬波器工作參數設置：當輔助逆變器報“OVP電阻過溫”時，若列車施加常用制動，牽引系統將停止使用再生制動而采用電阻制動；當OVP電阻溫度恢復到標準值時，牽引系統恢復到可使用再生制動。

3.4.2 硬件方面

可更改OVP電阻，加快放電過程。

電阻電容放電計算公式為：

式中：

V0——電容上的初始電壓值；

V1——電容最終可充到或放到的電壓值；

Vt——t時刻電容上的電壓值。

由上式可知，電阻越小，放電時間越短。因此，采取了再并聯多組OVP電阻，使電阻減小到R＝0.5Ω（見圖12）的措施。此后的運行中，未再發生此類故障。

圖12 硬件改動示意圖

4 結語

本文對上海軌道交通7號線發生的一起輔助逆變器故障進行了分析，確定其原因為正線剛性觸網在2根鋁合金鋁排過渡處錨段關節觸網條件不是很好，與受電弓碳滑板處于非平行狀態，導致列車通過時產生跳弓現象，從而進一步導致輔助逆變器關斷。為此從軟件和硬件兩方面采取了解決措施。此后的實際運行表明，所提出的解決方案效果良好。

［1］陳伯時，陸敏遜.交流調速系統［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［2］黃繼榮.電力牽引交流傳動與控制［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［3］Bombardier Transport.3EST000214－1101＿Propulsion and auxiliary systems［G］.上海：上海地鐵維護保障中心車輛公司，2010.

［4］余強.AC 01／02型電動列車輔助逆變器及其故障的分析研究［J］.城市軌道交通研究，2011（1）：56.