地鐵輔助逆變器原理及故障分析

宋袁雁

摘 要：隨著先進技術的迅速發展，地鐵車輛的整體性能得到了極大的提高。它給人們的日常生活帶來了極大的便利。然而，地鐵輔助逆變器是車輛的重要組成部分，其結構復雜且集成度高。地鐵輔助逆變器是輔助系統（地鐵線路的核心部分，它為除列車牽引以外的一些電氣設備供電，包括空調系統、風扇系統和各種控制回路）。因此，快速準確的診斷方法對于地鐵輔助逆變器至關重要。

關鍵詞：地鐵逆變器；原理；故障分析

中圖分類號：U269 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0123-02

Abstract： With the rapid development of advanced technology， the overall performance of metro vehicles has been greatly improved. It brings great convenience to people's daily life. However， the metro auxiliary inverter is an important part of the vehicle， and its structure is complex and highly integrated. Metro auxiliary inverter is the auxiliary system （the core part of the subway line， which supplies power to some electrical equipment except train traction， including air-conditioning system， fan system and various control loops）. Therefore， the fast and accurate diagnosis method is very important for the auxiliary inverter of metro.

Keywords： subway inverter； principle； fault analysis

1 地鐵輔助逆變器分析

我們知道，分散式供電和集中式供電是輔助逆變器的主要供電類型。一個地鐵線路的輔助供電系統需要在列車上安裝SIV，此時使用的就是集中式的供電，在這種方式下，系統裝置包含的部分有：DC-DC斬波裝置一個、輔助逆變器兩個、整流裝置一個。集中式類型采用的輔助逆變電源為SPWM調制輔助逆變電源，分散式方式則采用的是十二脈沖輔助逆變電源。

如果系統需要電路簡單，元件少的逆變電路，則可以采用SPWM調制輔助逆變電源結構。這時候，系統主要是由三相逆變橋、LC濾波器以及處處隔離變壓器組成。使用SPWN調制，再配合LC濾波器的功能，我們可以得到包含較少諧波分量的電壓。而什么是SPWN呢？舉例而言，當我們使用恒幅不等寬的脈沖列去代替一個正弦波，則我們將這個正弦波平均分層一份一份地，一共分為N等分，再將每一等分使用一個和它的面積相等的等幅矩形脈沖的中心線和它中點重合。我們會得到高度不變并且寬度按正弦規律變化的脈沖列，這就是SPWM調制。

十二階梯波合成逆變電源則分別使用DY和DZ形變壓器的T1和T2共同構成，子逆變器的第一二組分別由PWM脈沖和滯后30度的同一PWM脈沖調制。傳統的三相十二階梯波合成逆變器采用一百八十度的導通方式，其輸出的電壓以為采用的移項調壓技術變化，有著很多的缺陷。單邊脈寬調制可以很好地去減少因采用脈寬調制導致諧波含量增大的問題。

2 逆變器故障成因

2.1 逆變器IGBT功率管故障的成因

通常逆變器經常會由于通常的電流和電壓原因造成內部的電路損壞，此外還可能因為逆變器內部的元件老化而造成故障。而地鐵輔助逆變器則是一直工作在高頻的情況下，其工作的環境是比較惡劣的。因此在地鐵運行中，逆變器經常可能出現故障。而經常出現的故障是功率開關器件的開路故障與直通故障。短路故障一般是由于當列車系統發出錯誤的驅動信號或者雪崩擊穿而造成的。逆變器IGBT電路提供的電壓過小的時候，IGBT就會自動地退出飽和導通區然后進入線性放大區，這時候電阻則會增大，這直接導致的結果就是電路元件過熱，從而造成毀壞。而一般器件出現破裂或者焊接脫落和電路板損壞都會導致開路故障。由于電路內部有自動保護的功能，在發生短路的時候故障會被快速地隔離，當檢測困難時，則會使用植入熔絲從而轉為開路故障進行處理。當IGBT出現短路故障的時候，如何去進行判斷呢？我們可以通過檢測IGBT的發射極與集電極之間的電壓對故障進行判斷。當出現短路的時候，慢關斷會使得故障的功率管出現軟關斷的情況。出現開路的時候，故障就會使得功率管的相電壓減小，系統內部本身的欠壓保護是無法全部彌補功率管的功率缺失的。

2.2 故障對系統的影響

當輔助逆變器內部元件出現開路時，驅動電壓會使內部元件無法導通，這個時候，電壓缺失，輸出電壓的波形不會像以前的正常工作時候的波形，而是會發生畸變。對于梯階波合成逆變器來講，造成的影響更多，比如會造成低次諧波無法被抵消，而增強了輸出電壓中的諧波。當輔助逆變器正常工作的時候，電路中橋臂的輸出功率是較大的，當出現故障后則會大大減少橋臂的輸出功率。

3 故障分析方法

3.1 基于EEMD與BPNN的故障檢測法

雖然經驗模式分解（EMD）方法是一種優越的信號分析方法，尤其適用于非線性和非平穩信號處理。然而，在EMD分解故障信號的過程中，EMD存在一個重要的缺點，那就是模式混合。針對這個問題，黃光裕等人提供了集成經驗模式分解（EEMD）方法。本文應用EEMD和能量特征方法從原始故障信號中提取特征向量。然后特征向量成為BPNN的輸入數據。遺傳算法優化了BPNN的權重和閾值。因此GABP具有很強的全局搜索和優化能力，克服了BPNN的缺點。最后，利用訓練好的GABP對地鐵輔助逆變器的故障類型進行診斷。實驗結果表明，該方法具有較高的精度和較好的效果。EEMD方法的基本思想是：事實上，所有信號數據都包含噪聲，加性白噪聲序列將均勻分布在整個時頻空間。添加白噪聲序列后，不同比例的信號區域將主動映射到相應的比例，它們是由白噪聲產生的。由于高斯白噪聲的零均值特性，IMFs分別從含有加性白噪聲的信號中篩選出來。并且所有對應的IMFs已經被平均以消除白噪聲的影響。則平均值被認為是真實的IMFs。結果滿足特征向量提取精度的要求。EEMD算法克服了EMD中的模式混合問題，提高了特征向量提取的準確性。遺傳算法優化了BPNN的權重和閾值。因此它具有強大的全局搜索和優化能力，避免陷入局部最小值，提高收斂速度和泛化能力。仿真實驗結果表明，該模型具有較高的診斷精度和較好的性能，可用于地鐵輔助逆變器的故障診斷。通過長期的研究，作者認為所提出的方法應用于已知故障的診斷，未知故障需要深入研究。

3.2 基于主成分分析和小波神經網絡的分析

考慮到地鐵輔助逆變器故障信號的非線性和診斷精度，提出了基于主成分分析（PCA）和小波神經網絡（WNN）的故障診斷方法。首先，通過小波包的分解和重構提取故障信號的初始特征向量，然后使用PCA降低初始特征向量的維數，從而消除冗余數據信息。最后，將處理后的特征向量作為小波神經網絡的輸入樣本進行故障診斷。實驗結果驗證了該方法的可行性和有效性。與直接使用初始特征向量的網絡相比，所提出的診斷方法具有更高的精度和更強的收斂性。

4 結束語

總而言之，對地鐵輔助逆變器的故障分析，首先必須要從輔助逆變器的原理出發。地鐵逆變器的工作環境惡劣，其結構復雜，且各集群相互牽制，因此容易發生故障的點很多。在調查故障的時候，如果只看故障的表面現象則會非常容易出現判斷的失誤，無法找到造成故障的主要原因。而如何正確有效地進行故障分析呢，一方面我們需要結合多種分析方法，從不同角度的數據出發去分析故障的原因，另一方面，我們需要結合歷史數據和歷史故障，對現有的故障進行分析，從而保障故障的解決。

參考文獻：

[1]雒智奇，張興寶.西安地鐵2號線車輛牽引及輔助逆變器同時發生架線低電壓故障的調查分析[J].鐵道機車車輛，2017，37（05）：

118-120.

[2]鄭依.LabVIEW環境下的便攜式地鐵輔助逆變器采集分析系統[D].青島大學，2017.

[3]李永全.廣州地鐵5號線國產化輔助逆變器200%過載保護故障分析及整改[J].鐵道機車車輛，2016，36（04）：78-80+130.

[4]李海新，胡禹峰，屈海洋，等.深圳地鐵11號線車輛輔助交流供電系統控制研究與設計[J].電力機車與城軌車輛，2015，38（05）：

20-23.

[5]惠浩浩，沈傳文，岳文開，等.基于多重前饋的地鐵輔助逆變器的設計[J].機車電傳動，2015（04）：71-75.

[6]張三多.廣州地鐵一二八增購車輔助逆變器拓展設計研究與分析[J].機電工程技術，2013，42（12）：112-114.