某有軌電車項目輔逆切除故障分析及優(yōu)化

彭夢揚(yáng)

中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲，412001

0 引言

傳統(tǒng)有軌電車由于車頂空間問題，車輛整車通過兩臺輔助逆變器給全車提供穩(wěn)定的交流和直流電源，其中一個輔助逆變器無交流輸出，所以僅通過一臺主輔助逆變器為整車提供交流輔助電源。

輔助逆變器故障對交流網(wǎng)絡(luò)影響最大的是牽引風(fēng)機(jī)，如果該輔助逆變器出現(xiàn)故障，牽引箱的風(fēng)機(jī)都將無法正常工作，最終導(dǎo)致牽引逆變器散熱不暢也無法實現(xiàn)其具體功能。

傳統(tǒng)的軌道車輛，如國內(nèi)的地鐵車輛，為提高輔助系統(tǒng)的供電可靠性，采用了并網(wǎng)供電和交叉供電的方案[1-2]，并取得了一定的效果。對輔助逆變電源并聯(lián)運(yùn)行控制研究[3-5]也驗證其具備較好的同步性。但以上方式無法適用于現(xiàn)代儲能式有軌電車。儲能式現(xiàn)代有軌電車普遍采用的并聯(lián)供電方案，是在車輛不額外增加空間、設(shè)備的基礎(chǔ)上，利用客室空調(diào)作為冗余設(shè)備來輸出交流電，從而保證車輛運(yùn)行可用性[6]。

有軌電車的“輔逆切除”是用于車輛運(yùn)行過程中，當(dāng)主輔逆故障無法正常工作時，通過司機(jī)手動操作“交流切除”旋鈕，斷開主輔逆與交流母線間的線路，將客室空調(diào)作為備用輔逆為交流負(fù)載供電的重要功能。

1 供電問題描述及分析

1.1 交流供電設(shè)計描述

某有軌電車項目整車交流母線負(fù)載包括：牽引系統(tǒng)冷卻風(fēng)機(jī)、司機(jī)室空調(diào)、一體式電源（負(fù)載為足部加熱器、車窗加熱）。車輛輔逆正常情況下，輔逆作為三相AC400V電源，為負(fù)載提供交流電。在車輛輔逆故障情況下，由列車司機(jī)通過“交流切除”控制旋鈕手動切除輔助逆變器，通過增加此三相母線隔離控制旋鈕，驅(qū)動繼電器=33-K02，通過=33-K02繼電器的動作使=33-K01動作，=33-K01動作后，其觸點(diǎn)與交流母線之間的連接斷開，從而將輔助逆變器從車輛三相母線上分離。

車輛輔逆切除時，“交流輸出”控制接觸器斷開，此時客室空調(diào)作為三相AC400V電源，直接輸出于交流母線為交流負(fù)載進(jìn)行供電，圖1為車輛三相電源至交流負(fù)載端線路示意圖。

1.2 問題描述

在實際測試過程中，通過車輛發(fā)出“輔逆切除”硬線指令來觸發(fā)切除主輔逆，投入客室空調(diào)作為備用輔逆的命令后，現(xiàn)象為：交流輸出控制接觸器斷開，即主輔逆順利停止輸出，各交流負(fù)載停止工作，主輔逆報“SIV過流故障”。

排查故障的過程中，儀器測量客室空調(diào)交流輸出波形如圖2。

觀察客室空調(diào)輸出電壓波形參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其峰值在750V左右，波形為以一定頻率包絡(luò)變化的方波，無法滿足列車交流負(fù)載性能要求，其較高的峰值還可能導(dǎo)致額定電壓為400V左右的負(fù)載燒毀。

隨后在對交流器件的排查中，發(fā)現(xiàn)司機(jī)室空調(diào)內(nèi)部三相濾波、整流橋、電容等板件被燒毀，無法工作，圖3為燒損的器件受損圖片，受損部位已被熏黑。

1.3 問題分析

1.3.1 主輔逆工作輸出波形

當(dāng)主輔逆正常工作時，將外部DC750V電源逆變?yōu)槿嘟涣麟姡瑴y得此時主輔逆輸出波形如圖4所示。

可以看出主輔逆輸出的電壓為三相AC400V、頻率為50Hz左右的三角函數(shù)波形。那么當(dāng)客室空調(diào)作為備用輔逆時需輸出頻率50Hz左右、電壓范圍在AC400V左右的交流電才能保證各交流負(fù)載能夠正常工作。

1.3.2 空調(diào)機(jī)組控制邏輯分析

空調(diào)機(jī)組輸出三相交流電的控制邏輯為：輔逆切除時，空調(diào)機(jī)組控制器檢測到車輛發(fā)來的“交流切除”信號為高電平，控制器通過485通訊方式控制變頻器開機(jī)，對交流負(fù)載輸出三相交流電。

這種設(shè)計的問題是：由于“交流切除”接觸器前增加了延時繼電器，導(dǎo)致系統(tǒng)在收到“交流切除”命令5s后，“交流輸出”才變?yōu)榈碗娖剑瑢?dǎo)致在這5s的時間差內(nèi)，主輔逆的三相輸出還未停止，空調(diào)已開始三相輸出，就會出現(xiàn)疊加情況。

綜上，我們得出燒毀司機(jī)室空調(diào)內(nèi)部器件，主輔逆報“SIV過流故障”的原因可能有兩個：

（1）客室空調(diào)輸出電壓峰值超過司機(jī)室空調(diào)所能承受的最大值；

（2）存在主輔逆還未切斷三相輸出客室空調(diào)就已經(jīng)啟動輸出的情況，造成電壓峰值疊加，可產(chǎn)生1000V以上的電壓值。

2 優(yōu)化方案

2.1 電壓疊加問題優(yōu)化方案

電壓疊加問題的優(yōu)化有兩個方面：

（1）供電回路中增加2個接觸器K1、K2。主輔逆（SIV）正常工作的時候，K1吸合，K2 斷開，K1和K2硬件互鎖。當(dāng)客室空調(diào)接收到輔助逆變器三相切除信號后，K1斷開，再間隔數(shù)秒后K2吸合，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，客室空調(diào)變頻器啟動輸出三相交流電驅(qū)動牽引風(fēng)機(jī)及其余交流設(shè)備正常工作。當(dāng)客室空調(diào)接收到輔助逆變器故障解除信號持續(xù)一定時間后，客室空調(diào)逆變器停止工作，K2斷開，再間隔數(shù)秒后 K1吸合，客室空調(diào)根據(jù)硬線信號的指令正常運(yùn)行。當(dāng)客室空調(diào)重啟后，將重新保持 K1閉合、K2斷開。具體電氣拓?fù)淙鐖D5，一個接觸器觸點(diǎn)串聯(lián)至另一個接觸器線圈中，硬線互鎖。

（2）為了防止接觸器卡滯導(dǎo)致無法斷開，對軟件控制邏輯進(jìn)行如下優(yōu)化：① 更改客室空調(diào)控制軟件，在收到“交流切除”硬線信號后，延遲5s再輸出三相交流電；當(dāng)“交流切除”硬線信號后恢復(fù)后，立即停止輸出。② 更改主輔逆控制邏輯，在“交流切除”硬線信號恢復(fù)后，延時5s再輸出三相交流電。通過以上的優(yōu)化，排除電壓疊加的可能性。

2.2 客室空調(diào)輸出波形優(yōu)化方案

通過研究客室空調(diào)三相電輸出接口，我們發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品在設(shè)計時存在缺陷，即未對空調(diào)變頻器的輸出電源進(jìn)行濾波處理。對此，我們提出的整改方案是：在輸出端增加正弦濾波器，圖6展示的就是整改前后的電氣原理圖。

優(yōu)化方案描述：

（1）電抗器和電容固定在增加的鈑金安裝組件上（圖7），打開電控盒蓋，從電控盒內(nèi)部使用M6螺栓將增加的鈑金固定在電控盒底部。

（2）將連接器XP22插頭的D5/D6/D7插孔用退針器退出，將連接器XS4插座的d1/d2/d3插針用退針器退出，拆下線束。

（3）制作XP22插頭的D5/D6/D7到轉(zhuǎn)接連接器XT20:1/XT21:1/XT22:1的線束，制作轉(zhuǎn)接連接器XT20:2/XT21:2/XT22:2到電抗器U1/V1/W1的線束，XP22插頭一端壓接插孔G08170300089；電抗器一端壓接2-4端子G08170000111；導(dǎo)線連接器一端壓接G08170000469預(yù)絕緣冷壓端子。導(dǎo)線連接器固定于電控盒支架的線扎上。

（4）將電容自帶線U2/V2/W2分別對應(yīng)連接到電抗器的U2/V2/W2接線端子。

（5）制作連接器XS4插座的d1/d2/d3到轉(zhuǎn)接連接器XT17:2/XT18:2/XT19:2的線束，制作轉(zhuǎn)接連接器XT17:1/XT18:1/XT19:1到電抗器U2/V2/W2的線束，XS4插座一端壓接插針G08062400036；電抗器一端壓接2-4端子G08170000111；導(dǎo)線連接器一端壓接G08170000469預(yù)絕緣冷壓端子。導(dǎo)線連接器固定于電控盒支架的線扎上。

（6）整理固定整機(jī)線束。

安裝后示意圖如圖8所示。

通過以上方案優(yōu)化，變頻器輸出的電壓波形為PWM波或SPWM波，這是一種類似于方波的波形，通過在客室空調(diào)三相輸出端增加正弦濾波器，可以把圖2這種PWM/SPWM波糾正成為較為標(biāo)準(zhǔn)的與圖4中波形相似的波形，從而滿足各類交流負(fù)載的用電要求。通過實測，我們得到增加了正弦濾波器后的客室空調(diào)三相輸出波形如圖9所示。

圖9顯示，我們最終得到了頻率在55Hz左右、電壓409V左右、峰值電壓約550V的波形，符合本項目交流設(shè)備的用電需求。

3 結(jié)語

有軌電車通過利用客室空調(diào)逆變器作為備用輔逆實現(xiàn)冗余設(shè)計，提高車輛運(yùn)行可行性。“輔逆”時，雖然“輔逆切除”功能在正常運(yùn)行時不會啟用，但是在主輔逆故障時，需要立即開啟客室空調(diào)作為備用輔逆，為交流負(fù)載供電。為了保證車輛交流負(fù)載正常工作，需要客室空調(diào)輸出的電源質(zhì)量與主輔逆接近，且還要把主輔逆與客室空調(diào)可能存在同時輸出產(chǎn)生電壓疊加的可能性排除。