地鐵車輛變頻空調對輔助變流器濾波電容的影響分析

付清華

摘要：最近幾年，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。

關鍵詞：地鐵車輛變頻空調;輔助變流器濾波電容;影響分析

引言

隨著我國軌道交通行業的迅速發展，地鐵在城市發展中擔當了重要角色。地鐵車輛除了滿足安全、可靠外，其舒適度和節能效果也是很重要的指標。舒適度滿足人們對生活品質的追求，節能符合我國節能減排的大政方針，因此有必要對地鐵車輛的舒適度和節能效果進行研究。目前在我國地鐵車輛上運用較多的空調機組為定速空調機組，變頻空調機組應用相對較少。

1輔助變流器濾波單元系統

受電弓下來的1500V直流電源經過變流器單元和變壓器逆變為380V/50Hz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380V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3×550μF±5%，額定電壓400V，峰值電壓620V，額定線電流160A。三相電抗器額定電抗3×18μH，額定電壓400V，額定電流370A。三相變壓器內置的電抗器電抗為3×500μH。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。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。

2故障成因

列車編組當中布設了許多空壓機，這是為了確保其相互之間的均衡性，從而有效規避空壓機在運行的過程中會附著諸多冷凝水，所以擬定超出30%該類的運轉周期。如果啟動前導單元車搭配這一壓縮機，就不可以去啟動預備所用的壓縮機。與這一現狀相對應的是，如果縮減到預設風缸壓力的情況下，前導空壓機將會被啟動，從而有效填補運行中所消耗掉的空氣壓力。如果在運行的過程中裝置內部的過多氣流被消耗掉，那么就會啟用備用范圍之內的壓縮機，實現對風缸初始壓力的有效填補。在整個空調系統當中，如果其中的某一臺壓縮機呈現出故障的狀態，此時車輛并不會受到影響，依舊會保持常態運行，其也不會對預設的列車性能帶來過多的干擾。但是，備用空壓機將會添加原有的輸出，直到初始的多倍為止。基于此，只有設定雙重形式的負荷才能滿足空調系統正常運行的需要。基于這一系統情況，該地鐵車輛的空調系統常見故障主要包括以下幾種：壓縮機組不可以被有效啟動、壓縮機在運行的過程中油品泄露量超出了規定范圍、壓力升高的速度比較緩慢、所輸送到車廂之內的氣力嚴重不足等。導致這些故障出現的根本原因在于以下幾點：壓縮機被堵塞;在管路銜接的地方存在一定的泄露點;曲軸箱布設上了松動形態之下的螺旋塞;氣動配件在運行的過程中發生了泄露。結合這些常見故障以及導致故障出現的主要原因可知，在檢查以及分析故障的時候，一定要集中針對銜接的插頭、推動器以及曲柄調控的壓縮機進行檢查;對于空氣管道的查驗過程中，一定要對裝置所配備的螺旋塞進行擰緊處理，如果在相關條件允許的情況下，也可以重新設置固有的密封裝置。在一些特殊的情況之下，粘結活塞遭到損壞之后，在裝置內部的壓力遞增的過程中就會出現速率偏慢的問題。針對這一情況，相關技術人員一定要認真仔細的查驗氣動構件所呈現出來的泄露狀態，如果發現壓縮機所特有的法蘭傾向泄露的時候，應該將其歸結為進氣口發生了堵塞現象，所以在日常運維工作中一定要對進氣口的口徑進行定期查驗，同時還要定期的清洗進氣口，也可以將原有的過濾器進行替換。

3地鐵車輛變頻空調對輔助變流器濾波電容的優化

3.1車內舒適度控制原理

空調機組制冷的基本控制原理是：客室車廂溫度或回風溫度信號被反饋至控制器，由控制器進行判斷并輸出控制信號以控制壓縮機的工作狀態。定速空調機組是通過壓縮機的頻繁啟停或旁通來控制車內的溫度和濕度的，當車內溫度高于目標溫度上限值時壓縮機開始工作，此時車內溫度會迅速降低，直至達到目標溫度下限值時壓縮機才會停機，如此反復來控制車內溫度，這樣車內溫度和濕度必然會產生較大的波動，舒適度較差。變頻空調機組是通過調節壓縮機的工作頻率來控制車內的溫度和濕度的，當車內溫度接近目標溫度上限值時控制器會提高壓縮機工作頻率，從而使制冷量加大，當車內溫度與目標溫度一致時控制器會維持壓縮機的工作頻率，當車內溫度接近目標溫度下限值時控制器會降低壓縮機的工作頻率，這樣就把溫度和濕度控制在較小的范圍內波動，車內舒適度較好。

3.2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%（8.8V）已足夠。

結語

綜上所述，在軌道車輛運行的過程中，空調系統發揮關鍵性作用，尤其在城市人口數量不斷增加，利用城市軌道交通出行的居民越來越多的背景下，只有確保軌道車輛空調系統的安全穩定運行，才能實現對車輛內部溫度的有效調控，才能確保車廂內部空氣的流通，進而使得軌道車輛的舒適性增強。希望通過文章的闡述，可以使得相關技術人員認識到確保軌道車輛空調系統穩定運行的重要意義，結合工作實踐總結軌道車輛空調系統常見故障類型以及導致故障出現的根本原因，同時要利用現代科學技術有效的制定故障排查以及維修方案，為廣大城市居民營造更加舒適的出行環境。

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