動車組換氣裝置變流器網側峰值過流試驗分析及改進

趙曉春

(中國鐵路濟南局集團有限公司青島機車車輛監造項目部 山東 青島 266111)

動車組空調換氣系統主要由空調裝置、換氣裝置、應急通風裝置組成。其中空調裝置主要用于制冷、制熱、通風，換氣裝置主要用于實現回風、新風供給和廢氣排出，應急通風主要用于空調故障緊急情況下的新風供給。空調、換氣裝置根據車型不同分別安裝在車底或車頂，應急通風裝置安裝在車廂的兩端，每輛車廂安裝2臺空調裝置、1臺換氣裝置、2臺應急通風裝置,整個換氣系統通過風道對新風、回風進行循環和廢氣的排出。

1 換氣裝置組成及原理

換氣裝置主要由風機、電機、風道、變頻器箱等組成，其作用主要為傳輸新風、回風和廢氣。新風由換氣裝置輸入，通過專用風道與空調機組相連，經空調裝置冷卻后輸入客室，向客室提供了新鮮的空氣，極大地改善了動車組客室空氣質量。回風即客室內循環風，部分通過空調裝置循環再利用，確保空調工況效率的提升，另一部分排出室外，即廢氣與部分回風的排出量等同于新風的輸入量，確保客室內外壓差，保證客室內空氣壓力恒定。廢氣即廁所內異味經專用排風道排出車體外，防止異味傳入客室內[1]。

2 網側峰值過流試驗分析

2.1 過流故障現象

CRH2A型動車組做空調減半試驗(試驗需要斷開二單元VCB，用一單元主變壓器MTr擴展供電)，恢復ACK2和二單元VCB，然后測量換氣輸入713線電流，發現5～8車換氣無輸入電流，車下觀察發現二單元5～8車換氣裝置不起機，同樣的試驗方法測量一單元1～4車換氣裝置也出現不起機的問題。

查看換氣裝置逆變器LED報MIS0010(整流器故障)，主控板LED5、6燈交替閃爍，四象限控制板VV17長亮，根據燈顯信息判斷故障為網側電流峰值過流，斷電復位故障消除。

2.2 故障保護邏輯描述

網側電流過流故障觸發條件為：網側電流(峰值)大于300 A，封鎖脈沖，并在LED顯示MIS0010故障代碼。

2.3 故障原理分析

CRH2A型動車組1、2、3、4車換氣裝置為變壓器1的輔助繞組提供400 V電源，5、6、7、8車為變壓器2的輔助繞組供電，擴展供電時，先將二單元VCB2斷開，合上ACK2進行試驗，試驗結束后斷開ACK2，重新合上VCB2，但此時發現5、6、7、8車換氣裝置故障，每次均為被擴展對象發生故障。

通過擴展供電原理分析，在進行擴展供電時，從變壓器1的輔助繞組到5、6、7、8車換氣裝置的供電距離較長，在輔助繞組容量有限的條件下處于供電末端的網壓可能出現幅值降低畸變的現象，從而導致換氣裝置網側電流過流。

2.4 電流測量

將換氣送風機打到運行位，換氣裝置逆變器內的冷卻風扇開始運行，分3種情況對1車至8車的換氣裝置冷卻風扇穩定時的電流進行測量，即：正常運行平穩時的電流值，高速運行平穩時的電流值，低速運行平穩時的電流值，3種工況下的電流值允許范圍為：正常運行測量冷卻風扇旋轉穩定時的電流0.3～0.8 A，高速運行測量冷卻風扇旋轉穩定時的電流15～25 A，低速運行測量冷卻風扇旋轉穩定時的電流6～16 A。測量數值形成曲線如圖1所示，符合電流值允許范圍。

圖1 3種工況電流測量數值曲線圖

2.5 Matlab仿真試驗

換氣裝置采用逆變器控制送風機的運行頻率，通過提高送風機的靜壓力性能，能夠更好地抑制車內的壓力變動，并且確保換氣量。換氣裝置上的電源為AC400 V單相50 Hz，換氣裝置電動送風機轉速可以根據車輛速度進行控制，即：車速160 km/h以下時，送風機以4 320 r/min低速運行；車速160 km/h以上時，送風機以5 820 r/min高速運行。換氣裝置電氣控制示意圖如圖2所示。

圖2 換氣裝置電氣控制示意圖

為提供理論分析依據，利用Matlab仿真軟件，驗證在網壓畸變條件下網側電流的變化趨勢，圖3是Matlab仿真網壓畸變條件下的電壓電流波形。從圖中可以看出，在網壓發生畸變時，網側電流同步出現畸變現象并迅速升高，超出過流保護門檻，導致峰值過流故障。

圖3 網壓畸變條件下電壓電流波形

2.6 現場測試波形

為了驗證分析結果，定位網壓畸變原因，聯系售后進行擴展供電工況下的換氣裝置輸入電壓、電流波形測試。圖4為變壓器2的主斷路器VCB斷開和閉合過程，換氣裝置的正常停機和啟動過程。圖5為ACK2斷開，換氣裝置網側電流發生過流故障過程。

圖4 VCB分合，換氣裝置正常啟停過程

圖5 ACK2斷開，換氣裝置網側電流發生過流故障過程

2.7 分析結論

現象發生在擴展供電時，ACK2接觸器斷開引起的網壓畸變，主斷路器VCB正常閉合，其他負載運行正常，結合理論分析和現場測試數據分析，可判斷為網壓異常畸變引起的網側峰值過流，導致換氣裝置出現不起機的問題。

3 安全評估

(1)此次故障工況是ACK2接觸器斷開引起的網壓異常畸變，進而導致網側峰值過流，未涉及變更軟件及硬件，其余負載工作均正常，不影響列車運行。

(2)在擴展供電的情況下，一旦發生網壓畸變，會造成換氣裝置不起機，進而影響旅客的舒適性，即：無法避免乘客產生耳鳴等不適，同時無法實現新風供給和車內廢氣排放[2]。

4 改進措施

目前換氣裝置網壓鎖相方法為硬件過零鎖相，當網壓發生極端異常畸變，出現頻繁過零情況時，鎖相相位和實際網壓相位易出現較大偏差，造成變流器工作異常。

針對上述情況，將鎖相方法優化為軟件鎖相。采用數字鎖相方法，由乘法鑒相器、低通濾波器LF和壓控振蕩器三部分組成，純數字環節計算，鎖相速度快，精度高。

4.1 鎖相優化可行性分析

4.1.1硬件過零鎖相

在換氣裝置做庫內試驗時，偶發出現網壓異常畸變的工況，當時由上位機、示波器監視的波形與此次網壓畸變引起的過流故障相類似，采用的鎖相方式為過零鎖相，可以看到在網壓異常突變的時候鎖相相位與實際偏差過大，如圖6所示。

圖6 故障時刻上位機監視、示波器測試波形

4.1.2硬件過零鎖相理論仿真

在網壓畸變的工況下，用過零鎖相方式進行仿真分析(見圖7)，可以看出過零鎖相的響應較慢，網壓幅值與相位發生畸變的瞬間過零鎖相無法快速響應。

圖7 網壓畸變工況下過零鎖相的網壓相位與四象限輸入電流

4.2 軟件鎖相

4.2.1軟件數字鎖相理論仿真

在網壓畸變的工況下，用數字鎖相方式進行仿真分析(見圖8)，可以分析得出過零鎖相的響應較快，網壓幅值與相位發生畸變的瞬間可以快速響應，相位跟隨較好[3]。

4.2.2硬件過零鎖相與軟件數字鎖相理論仿真對比

模擬仿真網壓畸變工況，在網壓畸變時刻，可以發現過零鎖相的網壓相位與數字鎖相的網壓相位的信號同步情況，如圖9所示。

圖8 網壓畸變工況下數字鎖相的網壓相位與四象限輸入電流

圖9 硬件過零鎖相與軟件數字鎖相理論仿真對比

通過仿真效果對比，在網壓發生畸變的過程中，數字鎖相相位比過零鎖相相位吻合度高，能夠有效降低網壓畸變帶來的干擾，從圖中可以發現，自1.4 us過后，硬件過零鎖相網壓相位嚴重偏離模擬的網壓相位，但軟件數字鎖相網壓相位與模擬的網壓相位有更好的動態響應。

5 結論

將鎖相方式更新為軟件數字鎖相可有效解決在網壓畸變工況下鎖相導致的網壓相位誤差問題，能有效抑制網壓異常工況下四象限輸入電流異常的情況，根據試驗性驗證考核，效果得到有效驗證。