寧波地鐵4號線列車空調變頻器載波頻率的改進與優化

田凱陽 張俊 方俊 施亦直 傅辰冰

（寧波市軌道交通集團有限公司智慧運營分公司，浙江寧波 315000）

0.引言

寧波地鐵4號線工程由慈城至東錢湖地區，是軌道交通骨干線網西北至東南向的一條重要徑向線，全線在東南端設東錢湖車輛段，西北端設慈城停車場，線路全長36km，共設25座車站，其中換乘站7座。平均站間距1.49km。共用位于1號線東環南路站地塊的線網控制中心。寧波市軌道交通4號線工程車輛采用接觸網受流和專用軌回流方式的“B型”車。其中整車供應商為株洲電力機車有限公司，牽引系統供應商為株洲時代電氣。

1.概述

列車空調系統的作用，是指用以調節車內環境，處理車內空氣的溫度和濕度，給旅客提供一個健康舒適的乘車環境。寧波地鐵4號線空調機組采用日立公司的臥式變頻壓縮機，在機組內部增加壓縮機變頻器。空調機組從新風口吸入的新鮮空氣與從客室來的回風在蒸發腔混合，混合空氣經過濾網過濾和冷卻，再通過送風道吹向客室，帶給乘客舒適健康的乘車體驗[1]。

2.故障現象

寧波地鐵4號線工程車輛在調試初期出現多列車空調控制盤主回路斷路器F1/2和對應漏電保護器FEL1/2發生偶發性跳斷現象。漏電保護器斷路器的作用為保護線路設備，當線路通過電流大于閾值時斷開線路，保證線路設備正常使用。

3.過程檢查

由于漏電保護器FEL1/2跳斷，初步判斷為漏電保護器空調機組漏電流過大。導致FEL1/2斷開，進而引起主回路斷路器F1/2啟動自保護功能。調試期間通過電流鉗夾住F2上端三相進線，啟用PTU開啟一臺壓縮機，測得漏電流值在110mA～170mA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。采用介電測試儀對通風機做介電測試，漏電流值＜5mA；采用介電測試儀對冷凝風機做介電測試，漏電流值＜5mA；采用介電測試儀對壓縮機做介電測試，測得漏電流值＜5mA，因此判斷漏電流主要是由變頻器運行過程中產生。

在車輛段隨機選用三列車，04001車的Tc1車、04001車Mp2車、04026車的Mp2車時，在全冷的測試工況下，載波頻率為9K時，進行數據測試時測得漏電流數據如表1所示。從表中可以看出當開關頻率為50Hz以下時，漏電流值基本保持不變，當開關頻率為70Hz時，漏電流峰值達到283mA，如表1所示。

表1 不同頻率下漏電流數據

4.原因分析

空調變頻器輸出是以PWM（脈寬調制）方式控制，輸出電流為高頻方波，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。變頻器漏電的原因主要有以下兩種。

（1）EMI濾波器的Y電容：出于EMI濾波的目的，需要將變頻器產生的高頻信號通過Y電容接地，從而減少對車輛供電電路的電磁干擾。

（2）高頻信號的分布電容泄漏：由于變頻器輸出為高頻信號，在電源線與殼體（接地）之間會產生分布電容漏電。

漏電保護器的漏電電流等級為300mA，稍微大于兩臺變頻運行的漏電流值，考慮到漏電保護器元器件數值誤差以及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。

5.整改方案

理論上IGBT的開關頻率越高，漏電流值就會越大；反之，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，可有效地降低漏電流值。同時降低IGBT開關頻率會有以下影響。

（1）降低載波頻率可減少變頻器功耗。變頻器中功率模塊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。載波頻率越小，變頻器的損耗越小，輸出功率越大。因此，采用降低載波頻率的方式也可減少變頻器功耗。

（2）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。

（3）降低載波頻率可能增加壓縮機噪音。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。降低載波頻率可能會增加壓縮機噪音。現場非動車情況下在客室進行噪音測試，噪音最大值不超過68dB，滿足噪音測試標準，噪音測試結果如表2所示。

表2 噪音測試結果

（4）降低載波頻率增加壓縮機絕緣壽命。載波頻率越高產生的尖峰電壓數量就會越多，對電機的沖擊次數也越多。較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。

（5）降低載波頻率可能影響電磁兼容。1）變頻器安裝在空調機組內部，而空調機組安裝在車體頂部，變頻器的電磁輻射對整車影響很小；2）變頻器安裝在空調機組內部，機組本身為金屬殼體且可靠接地，對變頻器的電磁輻射有很好的防護作用；3）變頻器本身內置EMI濾波器及電抗器；降低載波頻率理論上會減少變頻器的電磁發射強度，不會使變頻器的EMI性能變差。

6.試驗測試

目前，寧波4號線變頻器開關頻率值為9kHz，降低到4kHz后，在啟動兩臺壓縮機的情況下測得漏電流值為120mA～220mA，同時機組并無振動、異響等異常現象。因此，載波頻率為4kHz時不會影響變頻器的輸出電壓、頻率，對空調系統制冷/熱量不會有影響。

啟用變頻器面板將載波頻率參數b083的數值由9.0更改為4.0；庫內測試多次漏電保護器無跳斷現象，正線測試半年來漏電保護器也無跳斷現象，用示波器測得漏電流值一直穩定在120mA～220mA，驗證了此方案在確保機組穩定運行前提下的可行性。

此外，通過寧波4號線磁場測試試驗大綱可知，交流磁通量密度限值需保持在4以下，如圖1所示。

圖1 交流磁通量密度強度

7.結論

更改載波頻率不會影響電磁兼容。此外，漏電保護器也無跳斷現象，驗證此方案確保機組穩定運行下的可行性。測試結果如表3所示。

表3 交流磁通量密度測試結果