寧波地鐵4號(hào)線空調(diào)壓縮機(jī)變頻器故障分析與技術(shù)改進(jìn)

葛志云

摘要：空調(diào)機(jī)組壓縮機(jī)變頻器是城市軌道交通車輛極其重要元器件之一，其主要作用是根據(jù)空調(diào)控制器指令，輸出不同頻率的三相電源供給變頻壓縮機(jī)，使壓縮機(jī)根據(jù)車廂內(nèi)冷量或熱量需求運(yùn)行在不同頻率，輸出相對(duì)應(yīng)的制冷、制熱能力。當(dāng)空調(diào)變頻器出現(xiàn)問(wèn)題無(wú)法正常工作時(shí)，將會(huì)直接影響空調(diào)機(jī)組能否正常運(yùn)行，因此對(duì)三相電壓監(jiān)控繼電器進(jìn)行故障技術(shù)分析與改造十分具有重要性與必要性。

關(guān)鍵詞：日立變頻器;空調(diào)機(jī)組;載波頻率;尖峰電壓

引言

寧波地鐵4 號(hào)線共有36 列車，每列車配有12 臺(tái)變頻空調(diào)機(jī)組，每臺(tái)空調(diào)機(jī)組均配有2個(gè)壓縮機(jī)變頻器用于調(diào)控壓縮機(jī)的制冷、制熱能力。寧波地鐵4號(hào)線在調(diào)試運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，發(fā)生多起因變頻器故障引起空調(diào)機(jī)組無(wú)法正常工作的故障，因此十分有必要對(duì)現(xiàn)行的壓縮機(jī)變頻器進(jìn)行故障分析與改進(jìn)，降低車輛故障率，提高空調(diào)機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行性能。

1? 原因分析

寧波 4 號(hào)線車輛調(diào)試運(yùn)營(yíng)期間共計(jì)發(fā)生多起空調(diào)變頻器故障，空調(diào)機(jī)組控制盤主回路斷路器F1/2和對(duì)應(yīng)漏電保護(hù)FEL1/2（圖1紅框標(biāo)記）發(fā)生偶發(fā)性跳斷現(xiàn)象。由于主斷路器和漏電保護(hù)同時(shí)跳開，判斷為漏電保護(hù)器FEL1/2跳斷帶動(dòng)住斷路器F1/2跳開，空調(diào)機(jī)組漏電流太大，導(dǎo)致FEL1/2跳斷，進(jìn)而帶動(dòng)F1/2一起斷開。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查測(cè)試

用示波器電流鉗夾住F2上端三相電進(jìn)線（見圖2），使用PTU開啟一臺(tái)壓縮機(jī)，測(cè)得漏電流值在110～170mA（見圖3）之間波動(dòng);開啟兩臺(tái)壓縮機(jī)，測(cè)得漏電流在220mA左右，偶爾出現(xiàn)284mA尖峰值（見圖4）。用介電測(cè)試儀對(duì)通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)做介電測(cè)試，測(cè)得漏電流值<5mA，因此漏電流主要是由變頻器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生。

1.2? 深入原因分析

變頻器輸出是以PWM（脈寬調(diào)制，類似高速開關(guān)）方式控制，輸出電壓為高頻方波，導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部線圈與外殼之間、線纜與地之間有等效電容存在，從而產(chǎn)生泄漏電流。

漏電保護(hù)器的漏電電流等級(jí)為300mA，略大于兩臺(tái)變頻器運(yùn)行時(shí)的漏電流值，考慮到元器件數(shù)值誤差，機(jī)組運(yùn)行環(huán)境的影響，可能會(huì)導(dǎo)致漏電保護(hù)器發(fā)生跳斷現(xiàn)象。

2.1? 優(yōu)化方案

理論上 IGBT 的開關(guān)頻率越高，漏電流值越大;反之，IGBT 的開關(guān)頻率越低，漏電流值就越小。因此通過(guò)降低 IGBT 的開關(guān)頻率值，可以有效的降低漏電流值。同時(shí)降低 IGBT 開關(guān)頻率會(huì)有以下影響：

a） 降低載波頻率減少變頻器功耗。變頻器中主要應(yīng)用功率模塊 IGBT 的功率損耗與載波頻率有關(guān)，且隨載波頻率的提高功率損耗增大。這樣一則使效率下降，二則使功率模塊發(fā)熱增加，對(duì)運(yùn)行不利。載波頻率越小，變頻器的損耗越小，輸出功率越大。

b） 降低載波頻率減少變頻器輸出電流平滑程度。變頻器的逆變部分是由 IGBT 通過(guò)正弦脈寬調(diào)制（SPWM）后，通過(guò)電機(jī)繞組，形成呈正弦波的電流波形。那么載波頻率的大小直接影響輸出電流波形的好壞，以及干擾的大小，當(dāng)載波頻率高時(shí)，電流波形正弦性好，而且平滑。降低載波頻率將減少變頻器輸出電流平滑程度，增加毛刺。

c） 降低載波頻率增加壓縮機(jī)噪音。變頻器的輸出電壓、電流中都含有一定分量的高次諧波，使電動(dòng)機(jī)氣隙的高次諧波磁通增加，所以噪聲變大。降低載波頻率會(huì)增加壓縮機(jī)噪音。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

d） 降低載波頻率增加壓縮機(jī)絕緣壽命。載波頻率越高每秒鐘產(chǎn)生的尖峰電壓數(shù)量越多，對(duì)電機(jī)的沖擊次數(shù)也越多。很高的電壓上升率在壓縮機(jī)繞組上產(chǎn)生不均勻的電壓分布，長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)性的過(guò)快的電壓變化將使壓縮機(jī)繞組匝間絕緣過(guò)早破壞，因此降低載波頻率可以增加壓縮機(jī)絕緣壽命。

2.2? 空調(diào)機(jī)組電磁兼容測(cè)試

磁場(chǎng)試驗(yàn)是為了驗(yàn)證車輛所有的車載設(shè)備在車輛的電磁環(huán)境中能可靠工作，功能和性能不受影響，而且不得影響沿線其他設(shè)備系統(tǒng)。更重要的是，車輛產(chǎn)生的電磁環(huán)境不得對(duì)人體形成危害。由于空調(diào)變頻器頻率調(diào)整，對(duì)局部空間重新進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)試。車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，車輛在測(cè)量過(guò)程中牽引逆變器通電但不工作，輔助電路正常工作及所有相關(guān)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)（如空調(diào)/加熱器、照明、窗加熱器、充電機(jī)等），對(duì)三軸方向磁場(chǎng)進(jìn)行持續(xù)時(shí)間 30～60s測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如下所示：

4? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，在兩臺(tái)空調(diào)機(jī)組高頻率運(yùn)行時(shí)，由于載波頻率高，導(dǎo)致通過(guò)漏電保護(hù)器的漏電流值超過(guò)了限制值，漏電保護(hù)器跳開，從而帶動(dòng)主斷路器跳開，空調(diào)無(wú)法運(yùn)作。將空調(diào)載波頻率從9K降至4K后，在車間運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)并多次啟動(dòng)更改載波頻率后的空調(diào)機(jī)組，漏電保護(hù)器無(wú)跳斷現(xiàn)象，用示波器測(cè)得漏電流值一直穩(wěn)定在120mA～220mA之間，并且通過(guò)電磁兼容測(cè)試表明，更改載波頻率符合整列車的電磁兼容要求，驗(yàn)證了此方案在確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行前提下的可行性。降低載波頻率空調(diào)功能正常，運(yùn)營(yíng)至今再無(wú)此類故障發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]王文質(zhì)，李勇，康偉，等. 城市軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)[J]. 上海： 城市軌道交通研究， 2003， 6（2）： 60-65.

（作者單位：寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司）