地鐵車輛牽引系統(tǒng)電機(jī)過壓及過流故障的原因分析及改進(jìn)措施

侯向陽 許鎮(zhèn)宇

(西安市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，710016，西安∥第一作者，工程師)

西安地鐵3號線自開通以來，運(yùn)營中偶發(fā)牽引系統(tǒng)高速斷路器閃斷問題。根據(jù)列車監(jiān)控系統(tǒng)記錄，牽引系統(tǒng)出現(xiàn)電機(jī)相電流過高或超高、直流濾波電壓過壓或超壓，并報(bào)警TCU(牽引控制單元)中等故障或TCU嚴(yán)重故障。經(jīng)分析，當(dāng)列車空轉(zhuǎn)滑行程度嚴(yán)重時(shí)，逆變器將進(jìn)行空轉(zhuǎn)滑行校準(zhǔn)，從而導(dǎo)致牽引逆變器磁場瞬時(shí)變化過大，磁場控制失穩(wěn)，進(jìn)而報(bào)電機(jī)相電流過高故障。故障發(fā)生后，牽引系統(tǒng)會激發(fā)短暫的保護(hù)，隨后自動復(fù)位。牽引系統(tǒng)的滑行保護(hù)機(jī)制雖不影響運(yùn)營，但故障的頻繁發(fā)生會對牽引電機(jī)及逆變器內(nèi)部電子元件的使用壽命有很大影響。因此，優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)防止高速斷路器頻繁閃斷，具有非常重要的意義。

1 故障原因分析

1.1 牽引系統(tǒng)的故障上報(bào)邏輯

電機(jī)相電流過流：當(dāng)電機(jī)相電流傳感器檢測電流超過2 000 A時(shí)，記錄電機(jī)相電流過高，報(bào)中等故障，禁止?fàn)恳孀兤鲃幼鳎划?dāng)檢測電機(jī)相電流超過2 400 A時(shí)，報(bào)嚴(yán)重故障，斷開高速斷路器，并于電流小于1 500 A時(shí)復(fù)位。

直流濾波電壓過壓：當(dāng)濾波電壓傳感器檢測到濾波電壓超過2 100 V時(shí)，記錄直流濾波電壓過壓，報(bào)中等故障，禁止?fàn)恳孀兤鲃幼鳎划?dāng)檢測濾波電壓超過2 200 V時(shí)，報(bào)嚴(yán)重故障，斷開高速斷路器，并于電壓小于1 800 V時(shí)復(fù)位。

當(dāng)牽引系統(tǒng)進(jìn)行空轉(zhuǎn)滑行校準(zhǔn)時(shí)，會偶爾報(bào)出牽引系統(tǒng)發(fā)生電機(jī)相電流高和濾波電壓高故障，此時(shí)牽引逆變器會抑制工作200 ms。當(dāng)牽引逆變器抑制工作后，電壓和電流會在200 ms內(nèi)恢復(fù)到正常值，牽引逆變器會在500 ms后恢復(fù)正常工作。當(dāng)報(bào)出牽引系統(tǒng)發(fā)生電機(jī)相電流超高和濾波電壓超高故障時(shí)，牽引逆變器會斷開高速斷路器，此時(shí)高速斷路器重新閉合需要30 s時(shí)間。經(jīng)分析，在列車空轉(zhuǎn)或滑行過程中，牽引逆變器的磁場瞬時(shí)變化過大，牽引逆變器磁場控制失穩(wěn)，進(jìn)而導(dǎo)致了濾波電壓高或者電機(jī)相電流高故障的發(fā)生。

1.2 高速斷路器閃斷問題的數(shù)據(jù)調(diào)查

從列車運(yùn)行記錄(如圖1所示)可以看出：列車在正線運(yùn)行過程中，牽引逆變器時(shí)常檢測到列車的空轉(zhuǎn)滑行。圖1中 VVVF2-HSCB(變壓變頻電源2-高速斷路器)的數(shù)據(jù)記錄顯示，HSCB偶發(fā)斷開30 s。同時(shí)，列車監(jiān)控系統(tǒng)記錄牽引系統(tǒng)“電機(jī)相電流超高”、“直流線路電壓超壓”及“TCU嚴(yán)重故障”等故障信息。

注：VVVF1及VVVF2分別為變壓變頻電源1及變壓變頻電源2；HSCB為高速斷路器。

1.3 牽引系統(tǒng)的控制策略

1.3.1 逆變器功率電路概述

牽引逆變功率模塊為牽引電機(jī)提供VVVF(變壓變頻)電源，是電壓源型逆變器(如圖2所示)，以PWM(脈寬調(diào)制)模式運(yùn)行。PWM技術(shù)控制給牽引電機(jī)提供3相平衡的電壓，并能方便地改變加在電機(jī)上的基波電壓幅度和頻率。通過開關(guān)大功率電子器件，+HV或-HV(DC 1500 V的輸入或輸出端)交替地施加到星型連接的電機(jī)，以得到對稱交變的波形。

圖2 牽引逆變器

逆變器的輸出電流由A-CMDR(R相電流傳感器)和A-CMDS(S相電流傳感器)監(jiān)測，直流輸入電壓由有源型電壓傳感器(A-FVMD)監(jiān)測。所有的電流傳感器和電壓傳感器都提供了功率電路到控制單元的光耦隔離。牽引系統(tǒng)使用的矢量控制技術(shù)，可減少響應(yīng)時(shí)間，優(yōu)化轉(zhuǎn)矩調(diào)整的精度，改善了低速性能。矢量控制技術(shù)能提供非常迅速的磁通響應(yīng)和力矩響應(yīng)(磁通的建立時(shí)長< 1 s)，可優(yōu)化電機(jī)電流控制效率。

1臺牽引逆變器配置1個(gè)雙通道的速度傳感器，用于控制4臺并聯(lián)的牽引電機(jī)。速度傳感器具有2個(gè)通道，以保證冗余度。當(dāng)1個(gè)通道發(fā)生故障，另1個(gè)通道仍可提供速度信息。速度傳感器信號僅在列車低速運(yùn)行、磁通建立階段，以及列車空轉(zhuǎn)或輪滑控制時(shí)使用。

1.3.2 詳細(xì)的控制策略

1)低速區(qū)控制策略：在轉(zhuǎn)子頻率低于5 Hz時(shí)，通過速度傳感器的速度信息來計(jì)算電機(jī)內(nèi)的磁通，以確保電機(jī)轉(zhuǎn)矩的高精度控制。

2)恒轉(zhuǎn)矩階段控制(矢量控制)策略：電機(jī)磁通是基于對電機(jī)端子電壓的積分來計(jì)算的。該電壓應(yīng)具有正確的變化頻率，故使用速度傳感器來確定施加于電機(jī)上的電壓變化頻率。這樣可減少電機(jī)建立勵(lì)磁的時(shí)間。在恒轉(zhuǎn)矩階段，磁通量恒定，電機(jī)電壓和速度同比增加(磁通量恒定，故轉(zhuǎn)矩恒定)，故可通過控制定子電壓的幅值和頻率來實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩。

3)恒功率階段控制(標(biāo)量控制)策略：與恒轉(zhuǎn)矩階段控制時(shí)的勵(lì)磁建立類似，恒功率階段仍使用速度傳感器來確定電機(jī)上的電壓變化頻率。在恒功率階段，對電機(jī)兩端加最大電壓，并通過控制定子電壓的頻率來實(shí)現(xiàn)恒功率。

4)空轉(zhuǎn)或滑行控制策略：在列車空轉(zhuǎn)或滑行時(shí)使用速度傳感器，將4個(gè)牽引電機(jī)并行連接，則1個(gè)電機(jī)的空轉(zhuǎn)或打滑將會引起其他電機(jī)的空轉(zhuǎn)或打滑。這是因?yàn)槿绻?個(gè)電機(jī)空轉(zhuǎn)或滑行，則此電機(jī)承受的力就會迅速降得很低，此時(shí)其他電機(jī)受力會迅速增大，一旦超出其黏著力則電機(jī)就會趨向空轉(zhuǎn)或打滑。由于平衡時(shí)4個(gè)電機(jī)同速轉(zhuǎn)動，所以僅需通過監(jiān)測1個(gè)電機(jī)的速度來校正空轉(zhuǎn)或打滑。

1.4 相電流過流的分析

當(dāng)牽引系統(tǒng)檢測到車輛空轉(zhuǎn)或滑行時(shí)，將對牽引力、電制動力進(jìn)行控制，并通過檢測車輛的加速度及加速度變化率來判定車輛是否處于空轉(zhuǎn)滑行狀態(tài)。如判斷列車已進(jìn)入空轉(zhuǎn)、滑行狀態(tài)，則牽引系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)解過程，主要調(diào)整牽引或電制動的下降曲線斜率、牽引力或電制動力恢復(fù)曲線斜率。

目前，相電流過流問題主要產(chǎn)生在第1次空轉(zhuǎn)或滑行的回復(fù)階段中；在嚴(yán)重滑行情況下，如牽引、電制動力恢復(fù)效果不佳，則會產(chǎn)生2次滑行，甚至產(chǎn)生多次滑行。在嚴(yán)重滑行時(shí)，由于車控模式下每個(gè)輪對的滑行程度不完全一樣，故即使有速度傳感器，4臺電機(jī)的磁場也不能完全耦合在一起。在多次調(diào)整恢復(fù)的過程中，電機(jī)的瞬時(shí)失速會導(dǎo)致逆變器控制的電流瞬時(shí)失控，進(jìn)而使逆變器短時(shí)(200～500 ms)進(jìn)行保護(hù)性動作，停止?fàn)恳蛑苿恿Φ淖饔茫管囕喕謴?fù)到自由狀態(tài)，再重新建立磁場耦合進(jìn)行控制。

進(jìn)一步分析可知，電機(jī)相電流超高故障的發(fā)生主要有兩種：

1)在空轉(zhuǎn)或滑行控制過程中，牽引或電制動力恢復(fù)曲線調(diào)整滯后(或空轉(zhuǎn)滑行情況比較嚴(yán)重，磁場瞬時(shí)變化過快)，進(jìn)一步導(dǎo)致電流加大，激發(fā)逆變器保護(hù)動作，斷開高速斷路器。此時(shí)的電機(jī)相電流高或者超高狀態(tài)并不屬于故障，而逆變器會把保護(hù)狀態(tài)以故障的形式上報(bào)給列車監(jiān)控系統(tǒng)。在車輪長時(shí)間嚴(yán)重空轉(zhuǎn)或滑行的過程中，極偶爾會發(fā)生此現(xiàn)象。

2)電機(jī)相關(guān)回路出現(xiàn)短路或過載等現(xiàn)象，導(dǎo)致電流過高，進(jìn)而斷開高速斷路器，從電源輸入側(cè)徹底保護(hù)逆變器，這是真實(shí)的故障。

2 策略優(yōu)化及改進(jìn)措施

2.1 策略優(yōu)化方案

1)更新空轉(zhuǎn)滑行策略，放緩力的恢復(fù)和磁場的耦合控制，防止在空轉(zhuǎn)或滑行過程中，定子磁場過快地跟隨異常的轉(zhuǎn)子磁場變化，從而導(dǎo)致電流進(jìn)入限制區(qū)域。

2)在磁場控制策略中，對單軸或多軸輪對同時(shí)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或滑行時(shí)的磁場變化進(jìn)行精細(xì)化區(qū)分及控制，通過磁場濾波器的參數(shù)調(diào)節(jié)及速度傳感器的濾波參數(shù)調(diào)節(jié)，增強(qiáng)磁場控制的兼容性，以確保任一空轉(zhuǎn)或滑行工況下，均能實(shí)現(xiàn)有效控制，從而避免相電流過流現(xiàn)象發(fā)生。

3)把電機(jī)相電流故障同空轉(zhuǎn)或滑行控制進(jìn)行區(qū)分。在空轉(zhuǎn)或滑行過程中，電流抑制的保護(hù)動作不會以故障形式報(bào)給列車監(jiān)控系統(tǒng)。只有發(fā)生短路等真正的故障，才會以故障形式上報(bào)給列車監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 優(yōu)化效果

目前，策略優(yōu)化后的新版本軟件已經(jīng)應(yīng)用在所有列車上。根據(jù)列車監(jiān)控系統(tǒng)下載的列車正線運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)，牽引系統(tǒng)沒有因檢測到空轉(zhuǎn)或滑行而進(jìn)行保護(hù)動作的故障報(bào)警。通過對空轉(zhuǎn)滑行策略的優(yōu)化及牽引系統(tǒng)軟件的升級，有效解決了正線運(yùn)行列車牽引系統(tǒng)報(bào)電機(jī)相電流過高或超高、直流濾波電壓過壓或超壓故障的問題，避免了高速斷路器閃斷問題，保證了地鐵列車的安全運(yùn)行。

3 結(jié)語

牽引系統(tǒng)作為地鐵車輛的關(guān)鍵系統(tǒng)，其高速斷路器的閃斷直接影響了正線運(yùn)行。經(jīng)分析，高速斷路器的閃斷是由于逆變器檢測空轉(zhuǎn)滑行導(dǎo)致，雖然故障發(fā)生后牽引系統(tǒng)在短暫的保護(hù)后即可自動復(fù)位，但正線運(yùn)行中頻繁發(fā)生的閃斷，會對牽引電機(jī)及逆變器內(nèi)部電子元件的使用壽命有很大影響。優(yōu)化滑行控制策略，可防止高速斷路器頻繁閃斷，提高正線牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保證地鐵列車的正點(diǎn)運(yùn)營，具有非常重要的意義。