寧波地鐵4號線空調壓縮機變頻器故障分析與技術改進

葛志云

摘要：空調機組壓縮機變頻器是城市軌道交通車輛極其重要元器件之一，其主要作用是根據空調控制器指令，輸出不同頻率的三相電源供給變頻壓縮機，使壓縮機根據車廂內冷量或熱量需求運行在不同頻率，輸出相對應的制冷、制熱能力。當空調變頻器出現問題無法正常工作時，將會直接影響空調機組能否正常運行，因此對三相電壓監控繼電器進行故障技術分析與改造十分具有重要性與必要性。

關鍵詞：日立變頻器;空調機組;載波頻率;尖峰電壓

引言

寧波地鐵4 號線共有36 列車，每列車配有12 臺變頻空調機組，每臺空調機組均配有2個壓縮機變頻器用于調控壓縮機的制冷、制熱能力。寧波地鐵4號線在調試運營過程中，發生多起因變頻器故障引起空調機組無法正常工作的故障，因此十分有必要對現行的壓縮機變頻器進行故障分析與改進，降低車輛故障率，提高空調機組安全平穩運行性能。

1? 原因分析

寧波 4 號線車輛調試運營期間共計發生多起空調變頻器故障，空調機組控制盤主回路斷路器F1/2和對應漏電保護FEL1/2（圖1紅框標記）發生偶發性跳斷現象。由于主斷路器和漏電保護同時跳開，判斷為漏電保護器FEL1/2跳斷帶動住斷路器F1/2跳開，空調機組漏電流太大，導致FEL1/2跳斷，進而帶動F1/2一起斷開。

1.1 現場調查測試

用示波器電流鉗夾住F2上端三相電進線（見圖2），使用PTU開啟一臺壓縮機，測得漏電流值在110～170mA（見圖3）之間波動;開啟兩臺壓縮機，測得漏電流在220mA左右，偶爾出現284mA尖峰值（見圖4）。用介電測試儀對通風機、冷凝風機、壓縮機做介電測試，測得漏電流值<5mA，因此漏電流主要是由變頻器運行過程中產生。

1.2? 深入原因分析

變頻器輸出是以PWM（脈寬調制，類似高速開關）方式控制，輸出電壓為高頻方波，導致壓縮機內部線圈與外殼之間、線纜與地之間有等效電容存在，從而產生泄漏電流。

漏電保護器的漏電電流等級為300mA，略大于兩臺變頻器運行時的漏電流值，考慮到元器件數值誤差，機組運行環境的影響，可能會導致漏電保護器發生跳斷現象。

2.1? 優化方案

理論上 IGBT 的開關頻率越高，漏電流值越大;反之，IGBT 的開關頻率越低，漏電流值就越小。因此通過降低 IGBT 的開關頻率值，可以有效的降低漏電流值。同時降低 IGBT 開關頻率會有以下影響：

a） 降低載波頻率減少變頻器功耗。變頻器中主要應用功率模塊 IGBT 的功率損耗與載波頻率有關，且隨載波頻率的提高功率損耗增大。這樣一則使效率下降，二則使功率模塊發熱增加，對運行不利。載波頻率越小，變頻器的損耗越小，輸出功率越大。

b） 降低載波頻率減少變頻器輸出電流平滑程度。變頻器的逆變部分是由 IGBT 通過正弦脈寬調制（SPWM）后，通過電機繞組，形成呈正弦波的電流波形。那么載波頻率的大小直接影響輸出電流波形的好壞，以及干擾的大小，當載波頻率高時，電流波形正弦性好，而且平滑。降低載波頻率將減少變頻器輸出電流平滑程度，增加毛刺。

c） 降低載波頻率增加壓縮機噪音。變頻器的輸出電壓、電流中都含有一定分量的高次諧波，使電動機氣隙的高次諧波磁通增加，所以噪聲變大。降低載波頻率會增加壓縮機噪音。經實驗測試。

d） 降低載波頻率增加壓縮機絕緣壽命。載波頻率越高每秒鐘產生的尖峰電壓數量越多，對電機的沖擊次數也越多。很高的電壓上升率在壓縮機繞組上產生不均勻的電壓分布，長時間重復性的過快的電壓變化將使壓縮機繞組匝間絕緣過早破壞，因此降低載波頻率可以增加壓縮機絕緣壽命。

2.2? 空調機組電磁兼容測試

磁場試驗是為了驗證車輛所有的車載設備在車輛的電磁環境中能可靠工作，功能和性能不受影響，而且不得影響沿線其他設備系統。更重要的是，車輛產生的電磁環境不得對人體形成危害。由于空調變頻器頻率調整，對局部空間重新進行磁場測試。車輛處于靜止狀態，車輛在測量過程中牽引逆變器通電但不工作，輔助電路正常工作及所有相關設備運轉（如空調/加熱器、照明、窗加熱器、充電機等），對三軸方向磁場進行持續時間 30～60s測量。測試結果如下所示：

4? 結語

通過以上分析發現，在兩臺空調機組高頻率運行時，由于載波頻率高，導致通過漏電保護器的漏電流值超過了限制值，漏電保護器跳開，從而帶動主斷路器跳開，空調無法運作。將空調載波頻率從9K降至4K后，在車間運轉實驗室長時間運轉并多次啟動更改載波頻率后的空調機組，漏電保護器無跳斷現象，用示波器測得漏電流值一直穩定在120mA～220mA之間，并且通過電磁兼容測試表明，更改載波頻率符合整列車的電磁兼容要求，驗證了此方案在確保機組穩定運行前提下的可行性。降低載波頻率空調功能正常，運營至今再無此類故障發生。

參考文獻

[1]王文質，李勇，康偉，等. 城市軌道車輛空調系統[J]. 上海： 城市軌道交通研究， 2003， 6（2）： 60-65.

（作者單位：寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司）