軟故障分析在地鐵車輛輔助逆變系統(tǒng)維修中的應(yīng)用*

李小波,吳 浩

(1 上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院,上海201620;2 上海軌道交通維護(hù)保障中心 車輛公司,上海200233)

輔助逆變系統(tǒng)是地鐵車輛上必不可少的電氣設(shè)備,用于空調(diào)機(jī)組、通風(fēng)機(jī)、照明、電加熱器等交流負(fù)載提供穩(wěn)定的三相380 V電源,同時(shí)輸出的三相交流電壓經(jīng)變壓器和整流裝置后,可實(shí)現(xiàn)電源的多路直流輸出。軟故障的存在降低了輔助逆變系統(tǒng)的可靠性和安全性,影響其輸出指標(biāo),甚至?xí)?dǎo)致開關(guān)器件短路或開路,引起結(jié)構(gòu)性故障,造成嚴(yán)重后果。

地鐵輔助逆變系統(tǒng)工作過程中,除去結(jié)構(gòu)性故障之外,濾波電容的軟故障尤為突出,極大地影響了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。這是因?yàn)殡娙莸囊鲭姌O長時(shí)間經(jīng)受大電流的充、放電沖擊,出現(xiàn)不同程度的氧化現(xiàn)象,電容的瞬態(tài)充、放電電流值大為降低,使其儲(chǔ)電能力下降,相當(dāng)于電容容量嚴(yán)重減小。電容的容量減小,輕者表現(xiàn)為帶負(fù)載能力差,負(fù)載加重時(shí)往往體現(xiàn)為直流回路欠電壓故障。而電容的進(jìn)一步損壞,還有可能使直流回路電壓振蕩,造成逆變模塊的嚴(yán)重?fù)p壞。此類故障往往較為隱蔽,不如元件開路、短路容易引起重視,檢查起來很費(fèi)周折,用萬用表測(cè)量有明顯的充、放電現(xiàn)象,反向漏電流阻值也在容許范圍內(nèi),給維修部門帶來了麻煩。下面借助于 MATLAB/powergui中的FFT(Fastest Fourier Transform,快速傅里葉變換),實(shí)現(xiàn)逆變器濾波電容的軟故障診斷。

1 三相PWM逆變器仿真

以上海地鐵1號(hào)線為例。首先在MAT LAB/SIMULINK里對(duì)其輔助逆變系統(tǒng)的逆變部分進(jìn)行仿真,仿真電路如圖1所示。仿真參數(shù)設(shè)置與實(shí)際電路基本一致:直流電源電壓為650 V,IGBT逆變橋采用6 kHz的載波頻率,載波比N為12。逆變器輸出端的濾波電感為0.25 mH,其阻值為2 mΩ,濾波電容為3個(gè)78 μ F的電容經(jīng)一個(gè)0.5 μ F的電容接地,負(fù)載采用6.2 Ω的純電阻代替。仿真采用ode23s算法,采樣時(shí)間為5 μ s,系統(tǒng)仿真時(shí)間為0.12 s,以負(fù)載側(cè)線電壓和相電壓作為監(jiān)測(cè)變量。

圖1 地鐵輔助逆變系統(tǒng)三相PWM逆變器仿真模型

軟故障診斷的主要任務(wù)是確認(rèn)參數(shù)的實(shí)際值與正常值是否有偏差,偏差是否在許可范圍之內(nèi)。為了與實(shí)際情況保持一致,此處取電容容差為負(fù)值的情況進(jìn)行研究,以78 μ F的電容發(fā)生軟故障的情況為例來說明。由于電路中包含故障信息的關(guān)鍵點(diǎn)信號(hào)具有周期性,故將時(shí)域信息變換到頻域中分析,從中抽取故障特征,實(shí)現(xiàn)故障診斷。

2 仿真結(jié)果分析

電容容差的變化必然會(huì)影響濾波器對(duì)諧波的抑制能力,可從 T HD(Total Harmonic Distortion,總諧波失真)值得到體現(xiàn)。利用SIMULINK/powergui模塊,將電容從標(biāo)準(zhǔn)值到容差分別下降20%,30%,35%,40%,45%,50%幾種情況的FFT分析,對(duì)應(yīng)的電壓幅值與T HD列于表1。

表1 不同電容容差情況下的電壓幅值與THD

從表中可以看出,容差的變化對(duì)輸出幅值的影響并不明顯,T HD總體上是隨容差增大而增大。說明隨電容容差增大,系統(tǒng)諧波分量呈增大趨勢(shì)。單從表 1 THD的變化來看,雖然容差下降超過30%之后,線電壓THD已經(jīng)超過5%的規(guī)定值,但電容容差帶來的THD值變化并不明顯。由于 THD值反映的是綜合的情況,事實(shí)上,在電容容差增大的過程中,N+2次附近的諧波分量增大很明顯,另外對(duì)系統(tǒng)工作影響較大的低頻諧波成分也已經(jīng)發(fā)生了很大變化。以故障電容所在相的相電壓為例展開低頻分析,如圖2所示。由于被分析電容所在的三相LC濾波電路為振蕩環(huán)節(jié),根據(jù)逆變系統(tǒng)的參數(shù),忽略電感電阻及線路阻抗,求得其截止頻率為1 140 Hz。由振蕩環(huán)節(jié)的特性可知,高于截止頻率的頻段將以-40 dB迅速衰減,所以FFT分析時(shí)取上限頻率為2 000 Hz進(jìn)行分析。

圖2給出的是容差取35%和50%兩種情況下故障相電壓的FFT分析,橫坐標(biāo)是頻率,縱坐標(biāo)是各次諧波占基波(即50 Hz的信號(hào))的百分比,圖中基波信號(hào)為1。通過取不同容差進(jìn)行多次仿真比較,結(jié)果表明諧波分量的分布集中在21～29次諧波之間,對(duì)應(yīng)頻率為1 050～1 450 Hz。考慮到LC濾波電路的建模精度,這些諧波分量多集中在濾波電路的轉(zhuǎn)折頻率附近,并且在容差為30%的時(shí)候T HD幾乎到了系統(tǒng)容許的最大值,很容易產(chǎn)生諧振,這對(duì)逆變器的負(fù)載將產(chǎn)生很大影響,因此容差到30%的時(shí)候就應(yīng)該換掉此電容,以避免發(fā)生更嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性故障。

圖2 電容容差分別為35%和50%時(shí)的FFT分析

以上海地鐵一號(hào)線列車來說,由于輔助逆變器的空調(diào)負(fù)載,尤其當(dāng)夏季來臨時(shí),輸出部分的諧波分量所占比例加大,將使無功消耗分量增大,一方面使列車空調(diào)無法達(dá)到額定負(fù)荷,另一方面,諧波分量消耗的熱量將加大大功率器件的開關(guān)損耗,導(dǎo)致非正常燒損或擊穿,給線路帶來運(yùn)營和成本的雙重壓力。

3 結(jié)束語

基于MAT LAB/SIMULINK的powergui模塊仿真分析技術(shù),對(duì)地鐵輔助逆變系統(tǒng)的濾波電容進(jìn)行了軟故障研究。該分析方法為列車大功率變換器的工作狀態(tài)估計(jì)和故障分析提供了一個(gè)有效的方法,不僅可以輔助現(xiàn)場(chǎng)維修人員進(jìn)行故障排查,而且對(duì)于地鐵列車的深度維修和可靠運(yùn)行具有重要的參考價(jià)值。

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