廣州地鐵1，2，8號線增購車牽引系統斬波管爆裂故障分析與改進措施

李大偉

（廣州地鐵車輛中心，廣東廣州511400）

在投入運營的廣州地鐵1，2，8號線增購車上，采用的是株洲時代電氣股份有限公司研發的擁有自主知識產權的TGN51E型國產車輛牽引系統，這將是國產車輛牽引系統首次在廣州地鐵A型車上的批量應用。牽引系統是地鐵列車的關鍵設備，對其進行設備維護和試驗的費用十分昂貴。本文以廣州地鐵1，2，8號線增購車牽引逆變器再生制動、電阻制動為研究對象，介紹廣州地鐵列車牽引逆變器再生制動、電阻制動的工作原理，充分分析斬波相IGBT爆裂的原因，指出牽引系統在邏輯控制設計上的問題和缺陷，并提出整改措施。

1 再生制動、電阻制動的工作原理

1.1 牽引系統的介紹

廣州地鐵1，2，8號線增購車是由4動2拖車組成的6列編組列車，每列車由兩個相同的3車單元（A-B-C-C-B-A）構成。B車和C車為動車，具有相同的、獨立的列車牽引設備。牽引系統其主要功能是DC 1 500V電壓逆變成帶有可變振幅和頻率的三相電壓，用于牽引和制動，牽引電機產生牽引力或制動力，將電能轉換成機械能或將機械制動能量轉換成電能，實現牽引或再生制動。

牽引系統主回路電路圖如圖1所示。

主回路主要由高速斷路器、電抗器、充電電路、逆變器、牽引電機（4個）、斬波管、制動電阻等組成，紅色框部件為牽引逆變器的電阻制動電路［1］。

1.2 牽引逆變器主要技術參數

輸入電壓：DC1 500V（1 000V～1 800V）

額定輸出容量：2×530kVA

最大輸出容量：2×1 000kVA

輸出電壓：0～1 400V

輸出頻率：0～150Hz

開關頻率：500Hz

額定輸出電流：2×262A

牽引最大輸出電流：2×384A（有效值）

制動最大輸出電流：2×534A（有效值）

額定工作點效率：0.98

制動斬波最大電流：800A

控制方式：VVVF直接轉矩控制

圖1 牽引系統主電路

1.3 再生制動、電阻制動工作原理

廣州地鐵1，2，8號線增購車制動方式采用電制動（含再生制動和電阻制動）與空氣制動混合運算的控制方式。按列車制動力的需求，系統優先充分發揮電制動力的作用，以減少閘瓦磨耗并節約電能。電制動時，優先使用電網吸收再生能量，VVVF控制單元（牽引控制單元）連續監控電網狀態，檢查能量的吸收狀況。當電網吸收電能能力不足或不能吸收時，電網電壓（濾波電容端電壓）會升高，牽引控制單元根據濾波電容器端電壓情況，控制制動斬波器的開通。當電容器端電壓超過1 830V時，斬波控制器開通，制動電阻投入工作，將多余能量轉換成熱能消耗掉。當電制動力不足或失效時，由空氣制動控制裝置控制投入空氣制動進行補足或替代。空氣制動補足時優先使用拖車的空氣制動力。列車所需制動力大小，由空氣制動電子控制單元根據制動指令和列車載荷進行演算，然后轉換成電制動力指令向牽引逆變器（VVVF）發送。制動系統能隨時根據車輛載荷及由牽引逆變器（VVVF）反饋回的實際施加電制動力等效信號對空氣制動力進行修正，以滿足不同制動指令對制動力的要求。電制動與空氣制動隨時自動配合、平滑相互轉換，列車無沖動，如圖2所示。

圖2 信號傳遞示意圖

2 斬波相IGBT爆裂故障分析

2.1 事故現象

2012年8月23日12時24分鐘，廣州1，2，8號線增購車第3列8B105車牽引逆變器模塊1斬波相兩個IGBT元件爆裂。

圖3 HMI故障履歷表

如圖3所示，故障發生時刻，HMI故障履歷表內首先出現VVVF中間電流過流，其次分別是VVVF模塊1、2逆變過流、VVVF的1C管故障、差動電流大于50 A、模塊斬波管故障等信息。

列車回庫后，檢查故障車牽引設備箱，發現牽引逆變器內部IGBT斬波管爆裂，如圖4所示。

圖4 牽引逆變器IGBT斬波管

2.2 故障數據解析

根據DCU故障記錄分析，如圖5所示，發現在故障發生之前，A相（粉紅色）、B相（天藍色）逆變輸出電流是正常的，電網電壓（黃色）和中間直流電壓（紅色）均在允許范圍之內。因此可基本排除外電路牽引電機負載的影響。

圖5 DCU故障記錄波形

故障發生在再生制動工況下，直流中間電壓會由于再生能量的回饋而提升，正常情況下當中間電壓超過斬波電壓開通門檻時，斬波元件將開通，抑制中間電壓過度提升。當中間電壓低于斬波電壓關斷門檻時，斬波元件將關閉。從當天ERM下載的數據上來看，在相同給定力矩情況下，B1車中間直流電流長時間明顯比其他車低得多，故障時刻中間直流電壓在1 750V左右，很明顯斬波支路存在異常電流。

2.3 IGBT爆裂原因分析

由于該器件經常應用于大功率及開關速率快的場合。因此發生擊穿甚至炸管的幾率非常高，究其根本原因有以下3點：過壓、過流、過溫。

IGBT的快速開通和關斷有利于縮短開關時間和減小開關損耗，但過快的開通和關斷，在大電感負載下反而有害。開通時，存在續流二極管反向恢復電流和吸收電容器的放電電流，因此開通越快，IGBT承受的峰值電流也就越大。甚至急劇上升，導致IGBT或者續流二極管損壞。關斷時，大電感負載隨IGBT的超速開通和關斷，將在電路中產生頻率和幅值很高而寬度很窄的尖峰電壓L×di／dt，常規的過電壓吸收電路由于受到二極管開通速度的限制難以吸收該尖峰電壓，因而 陡然上升產生過沖現象，IGBT將承受較高的duce／dt沖擊，有可能造成自身或電路中其他元器件因過電壓擊穿而損壞，所以在大電感負載時，IGBT的開關時間不能過短。

表1 牽引系統中間電流數值

表1所示，4個動車牽引系統中間電流相比較后，發現B1車的中間電流與其他3節車相比，中間電流小了120 A左右，而同時下載DCU數據后，發現牽引系統未斬有流，當時的中間電壓為1 750V，沒有達到斬波相開啟門檻值。因此，可以得出斬波相IGBT存在異常，分析得出是IGBT的續流二極管失效導致。

開通關斷時間的長短直接影響到開關損耗，每開通關斷一次損耗就會累加，如果開關頻率很高，損耗就會很大，除了降低逆變器的效率以外，損耗造成的最直接影響就是溫度升高。這不僅會加重IGBT發生擎住現象的危險，而且，會延長集電極電流的下降時間和集電極—發射極電壓的上升時間，引起關斷損耗的增加。顯然，這是一個惡性循環。因此，為IGBT提供良好的散熱條件是有效利用器件、減少損耗的主要措施。

由圖5可以看出，因為斬波相存在異常電流導致斬波相元件過熱而損壞。元件之所以爆裂，是由于瞬間大能量通過斬波相元件，引起了上述斬波相元件爆裂。斬波回路短路引起主電路直流（LH2）側過流故障。

元件爆裂拉弧放電，造成回路接地，引起差分電流傳感器（VH1）動作。

目前，列車斬波管開通的門檻值：在牽引狀態時是1 845V，在制動狀態時是1 830V；而同時此門檻值并沒有多做保護措施，只要電壓分別達到這兩個數值，那么斬波管就會開通。通過讀取故障車的數據發現，列車在制動時的電壓波動比較頻繁，中間電壓頻繁在1 830 V這個數值來回的波動，造成斬波管頻繁的開啟和關斷，對元件造成很大的損傷。

3 改進措施

根據以上現象分析，斬波元件使用過程中出現異常是此次故障的直接原因，而引起IGBT燒損的直接原因是控制IGBT開關的兩個脈沖之間沒有足夠的間隔時間，導致續流二極管不能正常恢復而損壞，繼而橋臂貫穿。

針對此次出現的斬波管故障，生產廠家調整了逆變程序，增加斬波相溫度、過壓、過流等觀測變量，并進行了預防控制，降低斬波管使用率為20ms。從2012年8月28日刷新程序后至今牽引系統表現情況良好。相信通過對斬波管開通頻率的控制在很大程度上可以解決此類故障現象，也能使牽引系統穩定性得到很大的改善，大大提高了列車牽引性能。

［1］株洲時代電氣股份有限公司.廣州地鐵1，2，8號線電動車組維修手冊［Z］.2012.