地鐵車輛牽引系統電機過壓及過流故障的原因分析及改進措施

侯向陽 許鎮宇

(西安市軌道交通集團有限公司運營分公司，710016，西安∥第一作者，工程師)

西安地鐵3號線自開通以來，運營中偶發牽引系統高速斷路器閃斷問題。根據列車監控系統記錄，牽引系統出現電機相電流過高或超高、直流濾波電壓過壓或超壓，并報警TCU(牽引控制單元)中等故障或TCU嚴重故障。經分析，當列車空轉滑行程度嚴重時，逆變器將進行空轉滑行校準，從而導致牽引逆變器磁場瞬時變化過大，磁場控制失穩，進而報電機相電流過高故障。故障發生后，牽引系統會激發短暫的保護，隨后自動復位。牽引系統的滑行保護機制雖不影響運營，但故障的頻繁發生會對牽引電機及逆變器內部電子元件的使用壽命有很大影響。因此，優化軟件設計防止高速斷路器頻繁閃斷，具有非常重要的意義。

1 故障原因分析

1.1 牽引系統的故障上報邏輯

電機相電流過流：當電機相電流傳感器檢測電流超過2 000 A時，記錄電機相電流過高，報中等故障，禁止牽引逆變器動作；當檢測電機相電流超過2 400 A時，報嚴重故障，斷開高速斷路器，并于電流小于1 500 A時復位。

直流濾波電壓過壓：當濾波電壓傳感器檢測到濾波電壓超過2 100 V時，記錄直流濾波電壓過壓，報中等故障，禁止牽引逆變器動作；當檢測濾波電壓超過2 200 V時，報嚴重故障，斷開高速斷路器，并于電壓小于1 800 V時復位。

當牽引系統進行空轉滑行校準時，會偶爾報出牽引系統發生電機相電流高和濾波電壓高故障，此時牽引逆變器會抑制工作200 ms。當牽引逆變器抑制工作后，電壓和電流會在200 ms內恢復到正常值，牽引逆變器會在500 ms后恢復正常工作。當報出牽引系統發生電機相電流超高和濾波電壓超高故障時，牽引逆變器會斷開高速斷路器，此時高速斷路器重新閉合需要30 s時間。經分析，在列車空轉或滑行過程中，牽引逆變器的磁場瞬時變化過大，牽引逆變器磁場控制失穩，進而導致了濾波電壓高或者電機相電流高故障的發生。

1.2 高速斷路器閃斷問題的數據調查

從列車運行記錄(如圖1所示)可以看出：列車在正線運行過程中，牽引逆變器時常檢測到列車的空轉滑行。圖1中 VVVF2-HSCB(變壓變頻電源2-高速斷路器)的數據記錄顯示，HSCB偶發斷開30 s。同時，列車監控系統記錄牽引系統“電機相電流超高”、“直流線路電壓超壓”及“TCU嚴重故障”等故障信息。

注：VVVF1及VVVF2分別為變壓變頻電源1及變壓變頻電源2；HSCB為高速斷路器。

1.3 牽引系統的控制策略

1.3.1 逆變器功率電路概述

牽引逆變功率模塊為牽引電機提供VVVF(變壓變頻)電源，是電壓源型逆變器(如圖2所示)，以PWM(脈寬調制)模式運行。PWM技術控制給牽引電機提供3相平衡的電壓，并能方便地改變加在電機上的基波電壓幅度和頻率。通過開關大功率電子器件，+HV或-HV(DC 1500 V的輸入或輸出端)交替地施加到星型連接的電機，以得到對稱交變的波形。

圖2 牽引逆變器

逆變器的輸出電流由A-CMDR(R相電流傳感器)和A-CMDS(S相電流傳感器)監測，直流輸入電壓由有源型電壓傳感器(A-FVMD)監測。所有的電流傳感器和電壓傳感器都提供了功率電路到控制單元的光耦隔離。牽引系統使用的矢量控制技術，可減少響應時間，優化轉矩調整的精度，改善了低速性能。矢量控制技術能提供非常迅速的磁通響應和力矩響應(磁通的建立時長< 1 s)，可優化電機電流控制效率。

1臺牽引逆變器配置1個雙通道的速度傳感器，用于控制4臺并聯的牽引電機。速度傳感器具有2個通道，以保證冗余度。當1個通道發生故障，另1個通道仍可提供速度信息。速度傳感器信號僅在列車低速運行、磁通建立階段，以及列車空轉或輪滑控制時使用。

1.3.2 詳細的控制策略

1)低速區控制策略：在轉子頻率低于5 Hz時，通過速度傳感器的速度信息來計算電機內的磁通，以確保電機轉矩的高精度控制。

2)恒轉矩階段控制(矢量控制)策略：電機磁通是基于對電機端子電壓的積分來計算的。該電壓應具有正確的變化頻率，故使用速度傳感器來確定施加于電機上的電壓變化頻率。這樣可減少電機建立勵磁的時間。在恒轉矩階段，磁通量恒定，電機電壓和速度同比增加(磁通量恒定，故轉矩恒定)，故可通過控制定子電壓的幅值和頻率來實現恒轉矩。

3)恒功率階段控制(標量控制)策略：與恒轉矩階段控制時的勵磁建立類似，恒功率階段仍使用速度傳感器來確定電機上的電壓變化頻率。在恒功率階段，對電機兩端加最大電壓，并通過控制定子電壓的頻率來實現恒功率。

4)空轉或滑行控制策略：在列車空轉或滑行時使用速度傳感器，將4個牽引電機并行連接，則1個電機的空轉或打滑將會引起其他電機的空轉或打滑。這是因為如果1個電機空轉或滑行，則此電機承受的力就會迅速降得很低，此時其他電機受力會迅速增大，一旦超出其黏著力則電機就會趨向空轉或打滑。由于平衡時4個電機同速轉動，所以僅需通過監測1個電機的速度來校正空轉或打滑。

1.4 相電流過流的分析

當牽引系統檢測到車輛空轉或滑行時，將對牽引力、電制動力進行控制，并通過檢測車輛的加速度及加速度變化率來判定車輛是否處于空轉滑行狀態。如判斷列車已進入空轉、滑行狀態，則牽引系統進入調解過程，主要調整牽引或電制動的下降曲線斜率、牽引力或電制動力恢復曲線斜率。

目前，相電流過流問題主要產生在第1次空轉或滑行的回復階段中；在嚴重滑行情況下，如牽引、電制動力恢復效果不佳，則會產生2次滑行，甚至產生多次滑行。在嚴重滑行時，由于車控模式下每個輪對的滑行程度不完全一樣，故即使有速度傳感器，4臺電機的磁場也不能完全耦合在一起。在多次調整恢復的過程中，電機的瞬時失速會導致逆變器控制的電流瞬時失控，進而使逆變器短時(200～500 ms)進行保護性動作，停止牽引力或制動力的作用，使車輪恢復到自由狀態，再重新建立磁場耦合進行控制。

進一步分析可知，電機相電流超高故障的發生主要有兩種：

1)在空轉或滑行控制過程中，牽引或電制動力恢復曲線調整滯后(或空轉滑行情況比較嚴重，磁場瞬時變化過快)，進一步導致電流加大，激發逆變器保護動作，斷開高速斷路器。此時的電機相電流高或者超高狀態并不屬于故障，而逆變器會把保護狀態以故障的形式上報給列車監控系統。在車輪長時間嚴重空轉或滑行的過程中，極偶爾會發生此現象。

2)電機相關回路出現短路或過載等現象，導致電流過高，進而斷開高速斷路器，從電源輸入側徹底保護逆變器，這是真實的故障。

2 策略優化及改進措施

2.1 策略優化方案

1)更新空轉滑行策略，放緩力的恢復和磁場的耦合控制，防止在空轉或滑行過程中，定子磁場過快地跟隨異常的轉子磁場變化，從而導致電流進入限制區域。

2)在磁場控制策略中，對單軸或多軸輪對同時出現空轉或滑行時的磁場變化進行精細化區分及控制，通過磁場濾波器的參數調節及速度傳感器的濾波參數調節，增強磁場控制的兼容性，以確保任一空轉或滑行工況下，均能實現有效控制，從而避免相電流過流現象發生。

3)把電機相電流故障同空轉或滑行控制進行區分。在空轉或滑行過程中，電流抑制的保護動作不會以故障形式報給列車監控系統。只有發生短路等真正的故障，才會以故障形式上報給列車監控系統。

2.2 優化效果

目前，策略優化后的新版本軟件已經應用在所有列車上。根據列車監控系統下載的列車正線運行記錄數據，牽引系統沒有因檢測到空轉或滑行而進行保護動作的故障報警。通過對空轉滑行策略的優化及牽引系統軟件的升級，有效解決了正線運行列車牽引系統報電機相電流過高或超高、直流濾波電壓過壓或超壓故障的問題，避免了高速斷路器閃斷問題，保證了地鐵列車的安全運行。

3 結語

牽引系統作為地鐵車輛的關鍵系統，其高速斷路器的閃斷直接影響了正線運行。經分析，高速斷路器的閃斷是由于逆變器檢測空轉滑行導致，雖然故障發生后牽引系統在短暫的保護后即可自動復位，但正線運行中頻繁發生的閃斷，會對牽引電機及逆變器內部電子元件的使用壽命有很大影響。優化滑行控制策略，可防止高速斷路器頻繁閃斷，提高正線牽引系統的穩定性，保證地鐵列車的正點運營，具有非常重要的意義。