磁浮列車補償系統IGBT相模塊故障分析

曹雯

摘 要：補償系統包括濾波器和補償器，它主要用于消除高次諧波和補償無功功率。但目前，補償變頻器IGBT相模塊的故障率較高，影響了補償系統的正常工作。經過長期的分析和測試發現，變頻器風扇開斷自動控制的滯后性可導致溫度波動范圍增大，使IGBT相模塊部件與對應的底板分層，進而造成短路故障。改進后，風扇改設為持續工作狀態，以消除不利的溫度條件。

關鍵詞：補償系統；IGBT相模塊；底板分層；風扇自動控制

中圖分類號：U292.91+7 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）21-0022-02

磁浮列車在運行中會消耗很大的無功，且其牽引裝置在運行中會產生高次諧波，這都對電網有一定的影響。因此，在磁浮供電系統中設置了補償系統，其作用是補償無功功率并消除高次諧波。補償系統中的濾波器主要用來消除高次諧波和發出相對固定的容性無功；補償器則用來動態補償磁浮供電系統中的無功。

1 濾波器

每組濾波器都是利用電抗器與電容器組成的串聯電路達到濾波目的的。發生諧振時，電路的電抗為0，電流達到最大值（I=U/R）。在電壓為常數的情況下，電流的大小完全取決于電阻的大小。實際電路中的電阻很小。對于諧振頻率的電源而言，濾波器電路相當于短路，諧振頻率的電流都會流向濾波器電路。因此，流過該諧振頻率的其他電流很小，這就是濾波器的作用原理。

經供電部門測試，濾波器在磁浮列車運行中投運時，其諧波量符合要求。

2 補償器

補償器的主要器件是IGBT變頻器，每臺補償器的輸出功率為600 kVar，是獨立的變頻系統。變頻器通過強制換向和控制開關脈沖的寬度，可將電容器直流電壓轉換至變頻器的交流側，使交流側產生可超前于或遲后于電流的正弦波電壓。也就是說，補償器可無級調節產生從-600（容性）～600 kVar（感性）的無功功率。1套補償器的10組變頻器就能產生從-6 000（容性）～6 000 kVar（感性）的無功功率。它與一套濾波器相配合能產生從0～-12 000 kVar的無功功率，可充分滿足補償磁浮列車運行的需要。但最關鍵的問題是，補償器能根據系統的無功功率需要自動調節無功輸出，即動態自動補償，進而使系統的功率因數>0.9.而如果全部采用靜態補償，就會在磁浮列車停止時造成過補償（容性無功功率過剩），進而使系統的功率因數<0.9.

補償器全部正常時可使系統的功率因數>0.9，實際抄錄運行中的功率因數大多在0.95以上；當補償器中的變頻器發生故障時，功率因數明顯下降。

在實際運行中發現，變頻器的故障率較高，特別是IGBT相模塊短路的故障率很高，使用壽命僅為2～3年。

3 補償系統IGBT相模塊短路故障分析

為了解決變頻器IGBT相模塊的短路故障問題，從而提高補償系統運行的可靠性，近年來，我們多次分析了故障原因，檢查和重新計算了補償系統的設計，但并沒有發現模塊信息偏離相關規定值。

對損壞的IGBT模塊進行超聲脈沖-回波調查時發現，模塊在基板和底板下徹底分層，在發射器主要端子和底板下方徹底分層。

為了找到分層的原因，重新測量了補償系統的主要項目，比如變頻器電流、直流環節電壓（Ud）、變頻器無功功率、變頻器電流正弦波、相連變頻器的同步性能和相模塊散熱片的溫度等，但既沒有發現這些項目偏離理論值，也沒有發現異常運行狀態。

此外，測量了補償系統的其他項目，比如變頻器空氣入口處的空氣溫度、變頻器空氣入口處的空氣濕度、變頻器空氣出口處的空氣溫度和相模塊散熱片的振動等，結果也未發現這些項目偏離相關理論值和規定值。

通過在散熱片的適當位置鉆孔放置溫度傳感器測量在IGBT底板處溫度，并在2013-06-05—10對底板溫度進行測試。測試結果表明，當冷卻風扇持續工作時，IGBT底板的溫度變化范圍<20 ℃，在規定值的范圍內。如果外部溫度過低，冷卻風扇會在正常運行期間通過滯后自動控制進行開、關動作（65 ℃時自動開啟，55 ℃時自動關閉）。在此情況下，IGBT底板的溫度浮動范圍>30 ℃，超出了允許范圍。

以下是此次測試的簡單描述。

選擇下列變頻器測試：龍陽A軌=AEMK+BP01.9201.A23，2013-01-14安裝，運行約8 400周期；浦東A軌=AEMK+BP 02.9201.A23，2011-10-25安裝，運行約33 000周期。

在每個柜子中選取1個相模塊，在散熱片背面鉆孔，并在IGBT的底板上安裝熱傳感器。傳感器安裝后密封鉆孔，以防出現測試錯誤。

在2013-06-05T04：00—2013-06-06T06：30龍陽變頻器A23測試的溫度曲線運行工況中，5節編組的列車往返運行；在2013-06-05T04：30左右連接濾波器；在2013-06-05T06：45左右啟動運行模式；在2013-06-05T21：45左右結束運行；在2013-06-05T22：10左右斷開濾波器。列車運行期間，風扇一直處于工作狀態，并設置為開斷自動控制。

測試結果為：在外界溫度高于20 ℃的情況下，底板上的溫度波動約為15 ℃。因2013-06-05T16：30開始降雨，散熱片的溫度下降至50 ℃。因此，風扇通過自動控制被關斷，使底板的溫度大幅升高，約為70 ℃。總體溫度約上升了29 ℃。

在2013-06-10T13：21—2013-06-10T15：00龍陽變頻器A23測試的溫度曲線運行工況中，在散熱片的溫度達到70 ℃時（風扇控制的測量溫度點），人工關斷變頻器，底板溫度下降至40 ℃，同時，風扇通過滯后控制被關斷。將變頻器重新連接后，底板溫度快速上升，直至風扇通過滯后控制再次打開時，底板溫度已達到70 ℃。

測試結果為：溫度的浮動范圍約為28 ℃。

在2013-06-07T04：00—2013-06-08T06：30浦東變頻器A23測試的溫度曲線運行工況中，運行期間風扇一直保持工作狀態。

測試結果為：在外部溫度高于20 ℃的情況下，底板溫度的浮動范圍約為l8 ℃，比龍陽變頻器的底板溫度高出約10 ℃。假定IGBT運行了33 000周次時，IGBT分層情況進一步惡化，進而使其熱性能惡化。

在2013-06-10T15：30—2013-06-10T17：00浦東變頻器A23測試的溫度曲線運行工況中，當散熱片的溫度達到70 ℃時，人工關斷變頻器，同時，風扇通過滯后控制被關斷。將變頻器重新連接后，散熱片的溫度達到70 ℃，變頻器關斷。

測試結果為：溫度的浮動范圍約為32 ℃。

4 結論和改進方法

經過本次測可得出，所有IGBT故障具有相同的缺陷特性——IGBT部件與底板分層。幾乎所有的IGBT故障都發生在其經過2次冬季后。在夏季，IGBT底板的正常溫度浮動范圍<20 ℃（風扇一直處于工作狀態）；在天氣寒冷時，風扇因受滯后控制會被頻繁關斷，此時IGBT底板的溫度波動范圍>30 ℃，進而使IGBT的使用壽命縮短。

此次測試也證實了交替變換的載荷條件和不利的風扇控制參數（控制滯后）會導致溫度的波動范圍增大，進而造成IGBT部件與對應的底板分層。因此，應調整所有變頻器的風扇控制特性，將風扇工作點的測量溫度由原先的65 ℃改為10 ℃。這樣變頻器風扇可持續工作，進而消除不利的溫度條件。

〔編輯：張思楠〕

Maglev Phase IGBT Module Fault Compensation System Analysis

Cao Wen

Abstract： The compensation system includes a filter and compensator， which is mainly used to eliminate high harmonics and reactive power compensation. But now， the failure rate of the compensation phase IGBT inverter module is higher， affecting the normal operation of the compensation system. After long-term analysis and testing found that the inverter automatically controls the fan breaking lag can lead to temperature fluctuation range increases， the phase IGBT module component corresponding to the base plate layered， thus causing a short circuit fault. After the improvements， the fan is set to change the status of ongoing work to eliminate adverse temperature conditions.

Key words： compensation system； IGBT phase module； bottom stratification； fan automatic control