一種對軌道列車輔助逆變電源開路故障的診斷和處理方法的探討

馬洪崗

摘 要 隨著城市化建設加快，城市交通問題日益突出。具備速度高，乘坐舒適等特點的軌道交通得以迅速發展，輔助供電系統維持列車許多重要功能，輔助逆變器電源故障診斷成為系統故障診斷的基礎。目前對判斷主電路關鍵功率轉換器件IGBT開路故障尚無較好方法，文章主要針對列車常用輔助逆變器電源功率管路故障研究，通過仿真測試驗證理論方法正確性。

關鍵詞 軌道列車;輔助逆變器電源;開路故障診斷

隨著我國城市人口密度增大，具有運量大，節能環保等特點的城軌交通得到迅速發展。許多城市強化城軌交通的核心地位，車輛發車間隔逐步縮短，提升了對系統安全的要求。為保證列車安全運行，及時了解故障部位快速維修，列車故障診斷非常重要。城軌列車由行走系統，制動系統等組成，輔助供電系統是列車重要部分，關系到乘客舒適性，擔任牽引系統主電路外裝置供電任務，如果出現故障，其復雜性導致發生故障不能確定部位，影響故障排除的及時性。現有逆變器系統故障檢測系統急需改進。通過分析地鐵輔助逆變器電源IGBT開路原因，制定合適的故障診斷方法非常必要。

1城軌列車輔助逆變器供電系統簡介

IGBT開路故障診斷方法可分為電流與電壓法。掌握輔助逆變器供電系統組成結構是故障診斷前提。輔助逆變器供電系統包括用電設備與分配系統。列車通過車廂受電弓引入DC1500V直流電，車廂輔助逆變器將直流電逆變為三相交流電，相鄰車廂輔助逆變器故障下可同擴展供電電路供電。

輔助系統供電方式分為分散集中與并聯供電。分散供電是每節車廂配備輔助逆變電源，可通過擴展供電裝置支援。列車有多個車廂，集中供電是三個車廂公用同一電源。列車配置包括供電裝置，集中供電集成輔助逆變器，減少列車設備。整列車輔助電源設備總重輕，總維修保養工作量低。集中供電方式是目前地鐵車輛應用主流[1]。并聯供電系統逆變器運行提高電源靈活性，用戶可根據需要組合系統功率，降低電源設計成本。

研究城軌列車采用分散供電方式，列車某臺輔助逆變器故障，系統損失最大輸出功率，不會對列車造成影響，單元內故障不會影響列車運行，故障逆變器被切除，單元內三列車有非故障逆變電源，控制系統為空調通風系統下達減載指令。采取經濟通風方案，列車輔助供電系統供電采用集中分散式供電，集中供電方式采用SPWM調制輔助逆變器電源。

2輔助逆變器電源建模

用Simulink搭建電子電路模型可模擬運行工況，地鐵列車廣泛使用SPWM調制逆變器，調制方式有很大差異，搭建Matalab仿真模型，對功率管路故障模擬[2]。

逆變器采用三相半橋逆變拓撲，電路三相輸出對稱，可將逆變器視為輸出電壓相位互差120°半橋逆變器組合。SPWM調制中開關頻率高于輸出基波，逆變器可視為比例環節，Kpwm=E/Vtri，可得到調制輸入到逆變器輸出傳遞函數。電力裝置需滿足動靜態指標，要求與主回路設計與控制系統設計因素有關。與控制系統設計相關技術指標有輸出精度等。電力裝置需要精心設計主回路，采用PI調節器可實現無靜差，電流環存在非常必要，調節器可在負載增大下限制輸出電力避免破壞系統。

逆變器輸出電壓含有12N±1次諧波，為降低諧波含量，需設計合適的濾波器濾除諧波，陷阱式濾波器根據單一頻率諧波目標設計，靠近陷阱濾波諧波可得到抑制。將諧波頻率設計為12次，LC諧波頻率等于12次可消除諧波，但參數需要設計，需根據某控制目標設置條件。基波放大倍數對L0/L增大，11次諧波放大倍數隨L0/L增大減小，在變壓器漏感L0一定下增加C，可提高諧波濾除效果。已知變壓器漏感，可設計所需參數L=0.1mH，C=0.7mF，濾波后電壓諧波含量在可接受范圍。

3基于輸出功率SPWM調制輔助逆電源開路故障診斷

由于電路簡單等優點，SPWM調制輔助逆變電源應用廣泛，通過分析IGBT正常下各相電流正負極部分流向，找出電流正負極輸出功率與通過橋臂IGBT功率關系，提出故障診斷方法。在MATLAB仿真模型中進行測試驗證。

逆變器電源負載為三相對稱，每相PT測量電壓為負載電壓，CT測量電流為輸出負載電流，每相電壓能計算逆變器輸出功率，橋臂輸出電流正極性通過上冊IGBT，通過下側IGBT確定輸出電流負極性，電流通過與電壓積分算出IGBT功率，可反映下側工況。開路故障前存在隱患狀態，IGBT不呈現理想狀態，IGBT內阻值很大，電路可等效為IGBT串聯電阻代表內阻變化，IGBT假定為處于理想開關狀態，用IGBT阻值為x倍R電阻代表增大后內阻，分析電路輸出功率，觀察與正常相比差異。設A相處于SPWM調制正弦波下半周，隱患功率管對電路造成影響。

正常三相輸出功率相等，可作為判斷開路隱患特征量。假設A相流過正極性電流，電流通過功率管T2反并聯二極管流通，A相電流接通直流側負極，故障前A相輸出負極性電流，電流達到零點后不會出現正極性電流。在另外兩相下正極性電流出現，正極性電流對應輸出功率為負值。IGBT發生開路故障，對應輸出功率為0。采用各相電流不同極性對應功率用于負載下，需對逆變器輸出率檢測，輸出率大于某值后開通檢測功能。通過分析逆變器工作，得出電流正負極電流輸出功率與橋臂IGBT輸出功率關系，印證IGBT故障診斷方法提取故障特征概念明確，可反映功率管工作狀態。

參考文獻

[1] 蔡鵬飛，鄭樹彬，彭樂樂.基于EEMD和GA-BP的列車輔助逆變器開路故障診斷研究[J].計算機測量與控制，2019，27（7）：25-31.

[2] 賞吳俊. 城市軌道列車輔助逆變電源的開路故障診斷研究[D].成都：西南交通大學，2014.