某有軌電車項目輔逆切除故障分析及優化

彭夢揚

中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲，412001

0 引言

傳統有軌電車由于車頂空間問題，車輛整車通過兩臺輔助逆變器給全車提供穩定的交流和直流電源，其中一個輔助逆變器無交流輸出，所以僅通過一臺主輔助逆變器為整車提供交流輔助電源。

輔助逆變器故障對交流網絡影響最大的是牽引風機，如果該輔助逆變器出現故障，牽引箱的風機都將無法正常工作，最終導致牽引逆變器散熱不暢也無法實現其具體功能。

傳統的軌道車輛，如國內的地鐵車輛，為提高輔助系統的供電可靠性，采用了并網供電和交叉供電的方案[1-2]，并取得了一定的效果。對輔助逆變電源并聯運行控制研究[3-5]也驗證其具備較好的同步性。但以上方式無法適用于現代儲能式有軌電車。儲能式現代有軌電車普遍采用的并聯供電方案，是在車輛不額外增加空間、設備的基礎上，利用客室空調作為冗余設備來輸出交流電，從而保證車輛運行可用性[6]。

有軌電車的“輔逆切除”是用于車輛運行過程中，當主輔逆故障無法正常工作時，通過司機手動操作“交流切除”旋鈕，斷開主輔逆與交流母線間的線路，將客室空調作為備用輔逆為交流負載供電的重要功能。

1 供電問題描述及分析

1.1 交流供電設計描述

某有軌電車項目整車交流母線負載包括：牽引系統冷卻風機、司機室空調、一體式電源（負載為足部加熱器、車窗加熱）。車輛輔逆正常情況下，輔逆作為三相AC400V電源，為負載提供交流電。在車輛輔逆故障情況下，由列車司機通過“交流切除”控制旋鈕手動切除輔助逆變器，通過增加此三相母線隔離控制旋鈕，驅動繼電器=33-K02，通過=33-K02繼電器的動作使=33-K01動作，=33-K01動作后，其觸點與交流母線之間的連接斷開，從而將輔助逆變器從車輛三相母線上分離。

車輛輔逆切除時，“交流輸出”控制接觸器斷開，此時客室空調作為三相AC400V電源，直接輸出于交流母線為交流負載進行供電，圖1為車輛三相電源至交流負載端線路示意圖。

1.2 問題描述

在實際測試過程中，通過車輛發出“輔逆切除”硬線指令來觸發切除主輔逆，投入客室空調作為備用輔逆的命令后，現象為：交流輸出控制接觸器斷開，即主輔逆順利停止輸出，各交流負載停止工作，主輔逆報“SIV過流故障”。

排查故障的過程中，儀器測量客室空調交流輸出波形如圖2。

觀察客室空調輸出電壓波形參數，發現其峰值在750V左右，波形為以一定頻率包絡變化的方波，無法滿足列車交流負載性能要求，其較高的峰值還可能導致額定電壓為400V左右的負載燒毀。

隨后在對交流器件的排查中，發現司機室空調內部三相濾波、整流橋、電容等板件被燒毀，無法工作，圖3為燒損的器件受損圖片，受損部位已被熏黑。

1.3 問題分析

1.3.1 主輔逆工作輸出波形

當主輔逆正常工作時，將外部DC750V電源逆變為三相交流電，測得此時主輔逆輸出波形如圖4所示。

可以看出主輔逆輸出的電壓為三相AC400V、頻率為50Hz左右的三角函數波形。那么當客室空調作為備用輔逆時需輸出頻率50Hz左右、電壓范圍在AC400V左右的交流電才能保證各交流負載能夠正常工作。

1.3.2 空調機組控制邏輯分析

空調機組輸出三相交流電的控制邏輯為：輔逆切除時，空調機組控制器檢測到車輛發來的“交流切除”信號為高電平，控制器通過485通訊方式控制變頻器開機，對交流負載輸出三相交流電。

這種設計的問題是：由于“交流切除”接觸器前增加了延時繼電器，導致系統在收到“交流切除”命令5s后，“交流輸出”才變為低電平，導致在這5s的時間差內，主輔逆的三相輸出還未停止，空調已開始三相輸出，就會出現疊加情況。

綜上，我們得出燒毀司機室空調內部器件，主輔逆報“SIV過流故障”的原因可能有兩個：

（1）客室空調輸出電壓峰值超過司機室空調所能承受的最大值；

（2）存在主輔逆還未切斷三相輸出客室空調就已經啟動輸出的情況，造成電壓峰值疊加，可產生1000V以上的電壓值。

2 優化方案

2.1 電壓疊加問題優化方案

電壓疊加問題的優化有兩個方面：

（1）供電回路中增加2個接觸器K1、K2。主輔逆（SIV）正常工作的時候，K1吸合，K2 斷開，K1和K2硬件互鎖。當客室空調接收到輔助逆變器三相切除信號后，K1斷開，再間隔數秒后K2吸合，控制系統發出指令，客室空調變頻器啟動輸出三相交流電驅動牽引風機及其余交流設備正常工作。當客室空調接收到輔助逆變器故障解除信號持續一定時間后，客室空調逆變器停止工作，K2斷開，再間隔數秒后 K1吸合，客室空調根據硬線信號的指令正常運行。當客室空調重啟后，將重新保持 K1閉合、K2斷開。具體電氣拓撲如圖5，一個接觸器觸點串聯至另一個接觸器線圈中，硬線互鎖。

（2）為了防止接觸器卡滯導致無法斷開，對軟件控制邏輯進行如下優化：① 更改客室空調控制軟件，在收到“交流切除”硬線信號后，延遲5s再輸出三相交流電；當“交流切除”硬線信號后恢復后，立即停止輸出。② 更改主輔逆控制邏輯，在“交流切除”硬線信號恢復后，延時5s再輸出三相交流電。通過以上的優化，排除電壓疊加的可能性。

2.2 客室空調輸出波形優化方案

通過研究客室空調三相電輸出接口，我們發現該產品在設計時存在缺陷，即未對空調變頻器的輸出電源進行濾波處理。對此，我們提出的整改方案是：在輸出端增加正弦濾波器，圖6展示的就是整改前后的電氣原理圖。

優化方案描述：

（1）電抗器和電容固定在增加的鈑金安裝組件上（圖7），打開電控盒蓋，從電控盒內部使用M6螺栓將增加的鈑金固定在電控盒底部。

（2）將連接器XP22插頭的D5/D6/D7插孔用退針器退出，將連接器XS4插座的d1/d2/d3插針用退針器退出，拆下線束。

（3）制作XP22插頭的D5/D6/D7到轉接連接器XT20:1/XT21:1/XT22:1的線束，制作轉接連接器XT20:2/XT21:2/XT22:2到電抗器U1/V1/W1的線束，XP22插頭一端壓接插孔G08170300089；電抗器一端壓接2-4端子G08170000111；導線連接器一端壓接G08170000469預絕緣冷壓端子。導線連接器固定于電控盒支架的線扎上。

（4）將電容自帶線U2/V2/W2分別對應連接到電抗器的U2/V2/W2接線端子。

（5）制作連接器XS4插座的d1/d2/d3到轉接連接器XT17:2/XT18:2/XT19:2的線束，制作轉接連接器XT17:1/XT18:1/XT19:1到電抗器U2/V2/W2的線束，XS4插座一端壓接插針G08062400036；電抗器一端壓接2-4端子G08170000111；導線連接器一端壓接G08170000469預絕緣冷壓端子。導線連接器固定于電控盒支架的線扎上。

（6）整理固定整機線束。

安裝后示意圖如圖8所示。

通過以上方案優化，變頻器輸出的電壓波形為PWM波或SPWM波，這是一種類似于方波的波形，通過在客室空調三相輸出端增加正弦濾波器，可以把圖2這種PWM/SPWM波糾正成為較為標準的與圖4中波形相似的波形，從而滿足各類交流負載的用電要求。通過實測，我們得到增加了正弦濾波器后的客室空調三相輸出波形如圖9所示。

圖9顯示，我們最終得到了頻率在55Hz左右、電壓409V左右、峰值電壓約550V的波形，符合本項目交流設備的用電需求。

3 結語

有軌電車通過利用客室空調逆變器作為備用輔逆實現冗余設計，提高車輛運行可行性。“輔逆”時，雖然“輔逆切除”功能在正常運行時不會啟用，但是在主輔逆故障時，需要立即開啟客室空調作為備用輔逆，為交流負載供電。為了保證車輛交流負載正常工作，需要客室空調輸出的電源質量與主輔逆接近，且還要把主輔逆與客室空調可能存在同時輸出產生電壓疊加的可能性排除。