地鐵車輛變頻空調對輔助變流器濾波電容的影響分析

(新譽龐巴迪牽引系統有限公司，江蘇 常州 213166)

0 引言

隨著城市軌道交通行業地鐵車輛技術的發展，越來越多的變頻空調被應用到車輛中。變頻空調可以減小地鐵車輛的能耗，提高乘客舒適度。但是，變頻空調的6脈沖整流電路產生的諧波也會對車輛中壓母線電源質量產生較大的影響。

本文針對國內某地鐵項目輔助變流器濾波單元中的三相濾波電容發生嚴重燒損的故障，結合理論與現場試驗，調查變頻空調產生的諧波對濾波電容的影響，分析其影響機制及影響程度，以供使用車載變頻空調的地鐵項目參考。

1 輔助變流器濾波單元系統

國內某城市地鐵1號線車輛輔助變流器及濾波單元如圖1原理圖所示：濾波單元集成了電抗器的三相變壓器單元、三相濾波電容器和三相電抗器等部件。

圖1 輔助變流器濾波單元電氣原理圖

受電弓下來的1 500 V直流電源經過變流器單元和變壓器逆變為380 V/50 Hz的三相交流電，通過三相濾波電容器及電抗器組成的LCL濾波器進行濾波，為車輛輔助負載設備包括冷卻風機、車載空調機組HVAC、制動系統空壓機、充電機等供電。車載空調機組為變頻空調，通過6脈沖整流模塊將380 V電壓整流為直流電壓，然后通過逆變器形成變壓變頻交流電源驅動空調壓縮機。

三相濾波電容器設計的目的是濾除變流器輸出的高次諧波，降低輸出三相電壓的畸波率。另外，除了作為濾波器的功能之外，三相電容器還可以為車輛感性負載消耗的無功功率提供無功功率補償。三相電容額定容值3×550 μF±5%，額定電壓400 V，峰值電壓620 V，額定線電流160 A。三相電抗器額定電抗3×18 μH，額定電壓400 V，額定電流370 A。三相變壓器內置的電抗器電抗為3×500 μH。

2 諧波的產生與危害

理想的交流電壓和電流波形應該是單一頻率的正弦波，而實際的供電系統中由于負載的非線性會使電壓和電流產生畸變而偏離正弦，出現各種諧波分量。

圖2 三相濾波單元等效電路

如圖2濾波單元的等效電路。AC為變流器輸出電源，為集成在變壓器單元的三相電抗器，為三相濾波電容，為三相電抗器，為負載(變頻空調)產生的高次諧波電源。在單獨考慮負載側諧波分量Uh影響的情況下，可忽略對諧波電流的影響。由等效電路可見，諧波電流Ih在經過電抗器的抑制作用后，全部經過電容流通。在更惡劣的情況下，諧波頻次如果處于電感和電抗組成的LC諧振頻率帶，會產生更大的諧波電流。

另外，諧波電壓會導致電容器運行電壓有效值和峰值增大，直接降低濾波單元設備的設計余量。嚴重情況下會導致電容器絕緣受損，引起局部放電，影響濾波電容壽命。

針對諧波排放，國內外都有相關標準。如IEC61000-3-12-2011對用電設備諧波電流排放的要求如圖3，要求諧波電流排放允許值≤22%；鐵路應用行業的標準EN50121-3-2-2015 規定三相交流母線電壓公共端口電源質量標準，要求諧波電壓含量<8%，TB/T3411-2015要求輸出諧波電壓含量≤10%。

3 故障調查數據采集分析

3.1 三相濾波電容器側數據采集

使用德維創作為數據采集處理系統，使用3組電壓傳感器和3組電流傳感器作為采樣系統，通過德維創對采集的電壓電流信號進行示波顯示和FFT傅里葉級數的諧波分析，可清晰地顯示各次諧波含量。

為了調查變頻空調對流經三相濾波電容的電壓電流的影響，選取電容側進行電壓電流采樣。

3.1.1 試驗工況：開啟輔助變流器，關閉空調

對采集的三相電壓電流進行FFT分析，如圖3所示。

從數據分析看，關閉空調的情況下，電容側電壓接近正弦波。電壓諧波含量為3.87%。

圖4計算各次電流諧波含量如表1所示。

圖3 電容電壓諧波分析

圖4 電容電流諧波分析

表1 各次諧波電流含量

通過各次諧波計算流過電容的總的電流諧波含量為23%。

輔助變流器的IGBT開關頻率設計為1 350 Hz，在IGBT開關頻率帶附近會有較大的諧波含量。所以在空調關閉的情況下，會在23次、25次、29次和31次頻率帶有較大的諧波電流。設置三相濾波器的目的就是為了濾除這些頻率帶的諧波，以減小變流器輸出到車輛母線電源的畸變率。

空調關閉后，實測三相線電流為120 A。按380 V交流正弦系統計算，額定容值550 μF的三相電容工作電流應為113.6 A。電容的設計額定電流為160 A，設計余量為35%。

3.1.2 試驗工況：開啟輔助變流器，開啟空調全功率運行

對采集的電容側三相電壓，進行FFT分析如圖5所示。

空調開啟后，電容端的電壓諧波含量明顯上升。計算電壓諧波含量為8.3%。

對電流進行諧波分析，如圖6所示。

圖5 開啟空調電壓諧波分析

圖6開啟空調電流諧波分析

計算各次諧波含量及總諧波含量如表2所示。

表2 開啟空調諧波電流含量

對比開啟空調前，開啟空調后的諧波帶尖峰轉移到23和25次諧波附近。5、7、11次諧波含量大幅增加，總電流諧波含量達到了52.4%。電壓諧波由3.87%上升為8.3%。

開啟空調后，實測三相線電流為129 A，相比未開啟空調工況電流增加10 A。設計電流余量從35%降低到26%，空調產生的諧波電流消耗了約9%的設計余量。實測流過電容的諧波電流含量從23%增大到52.4%。實測電壓諧波含量由3.87%增大到8.3%。

3.2 變頻空調輸入側數據采集

為調查變頻空調機組對車輛380 V母線的諧波排放含量，分別測量變頻空調輸入側三相電壓(相電壓)和線電流。

圖7空調輸入側電壓電流波形

從電流波形看，電流已經嚴重畸變，形成了典型的馬鞍形6脈沖整流器輸入電流波形如圖7，圖8所示。

對采集的三相電流進行FFT分析：

圖8 空調輸入諧波電流分析

計算各次諧波含量及總諧波含量如表3所示。

表3 空調輸入諧波電流含量

根據上表計算電流諧波含量為72.7%，遠遠超出諧波電流排放允許值≤22%的要求。母線電流中5、7次諧波含量非常豐富，波形畸變的原因源自空調機組變頻器輸入電路(6脈沖整流)非線性負載產生的高次諧波成份。大量的諧波電流流過三相濾波電容，大大增加了三相濾波電容的負擔，嚴重情況下導致電容過載，影響電容壽命。同時諧波電流對列車其他負載也帶來危害，如使用壽命、異響、絕緣破壞、加速老化等。

4 諧波治理措施

4.1 改進濾波單元

對于濾波單元來說，可以通過增大LCL濾波單元電抗器的電感量。研究發現電感量增加，諧波電流呈下降趨勢。但是，變流器輸出側的電抗器電感量增加會導致輸出到母線的電壓降低，影響車輛其他負載的正常運行。

改進電容器設計制造工藝，提高電容的設計額定電壓和電流，以提高電容器的設計余量。保證電容器在較嚴苛的工作環境下能夠正常工作。但是受限于安裝空間和成本，電容器也不能做的過大。針對變頻空調的項目，重新設計新款電容，額定峰值電壓由620 V提高為690 V，以保證濾波電容在還有豐富諧波的電源下穩定工作。

4.2 改進變頻空調

為了改善車輛中壓母線的電源質量，可以在變頻空調的輸入側安裝濾波電抗器，用于抑制空調整流電路產生的諧波流竄到車輛母線中。

一般來說，在選擇插入電路的電抗器的容量時，應使電抗器上的電壓降在負載的額定電壓2%～5%。而當串聯安裝電壓降在5%的電抗器時，可以使高次諧波的含有率得到30%的改善。同時輸入電抗器壓降不宜取得過大，壓降過大會影響變頻空調機組正常工作。一般情況下選取進線電壓的4%(8.8 V)已足夠。

5 結語

通過實測數據可以看出，變頻空調使用將導致列車中壓母線含有豐富的高次諧波。在變頻空調滿載(全冷模式)工況下，輸入電流諧波含量(72.7%)，遠遠超出標準要求(22%)。

豐富諧波電流會注入三相電容，導致電容負載電流諧波含量從23%增大到52.4%，增大了2.2倍，電流設計冗余量由35%下降到26%，降低了電容電流設計余量。資料顯示，超過額定工作電壓，電壓每增加10%，電容器的壽命就會縮短50%。諧波電壓作用在頻率越高電抗越低的電容器上，會導致電容器過流、發熱、介質老化，甚至導致電容器失效損壞。