重慶軌道交通2號線列車過壓斬波IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)故障分析及解決措施

谷翠軍 吳曉東 李國銀 楊 吉

(重慶中車四方所科技有限公司, 401133, 重慶)

重慶軌道交通2號線(以下簡稱“2號線”)是我國西部第一條城市軌道交通線路,也是我國第一條跨座式單軌線路, 于2004年11月開通運營。2號線列車在正線運營時,牽引逆變器VVVF(變壓變頻)箱多次發生過壓斬波IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)故障,并伴隨GR(接地)故障,導致列車下線,嚴重影響線路的正常運營。對此,本文基于過壓斬波原理,結合故障現象、網絡數據及有關試驗驗證,分析并確定故障原因,進而提出解決措施。

1 過壓斬波原理

車輛制動時,牽引逆變器VVVF箱處于再生制動工況,牽引電機處于發電狀態,將列車動能轉化為電能,并回饋至牽引逆變器VVVF箱直流側,通過受電弓反饋給直流電網[1]。當電網無法完全吸收反饋能量時,電網電壓將迅速升高,進而導致VVVF箱中的支撐電容電壓上升。為了保證電網及列車行車安全,2號線牽引系統采用了電阻消耗型再生能量回收技術。當支撐電容兩端電壓過高時,過壓斬波器工作,通過過壓吸收電阻消耗多余的電能并以熱量的形式散發,從而降低母線電壓[2]。

圖1為2號線車輛單元組過壓吸收回路拓撲圖。由圖1可知:過壓吸收回路由過壓斬波器Q和過壓吸收電阻Re組成;PT為電壓傳感器,用于實時檢測支撐電容SC兩端的電壓;CT為電流傳感器,用于檢測斬波回路電流,并根據檢測的電流值對過壓吸收回路進行相應的故障保護。受車輛結構限制,2號線車輛每個單元組的三路過壓斬波回路共用同一個Re。

注:Udc—DC 1 500 V電源;TD—二極管。

2 故障現象及分析

2.1 故障現象

在臨江門站—較場口站區間運行中,多列列車的司機室TCMS(列車控制管理系統)監視屏顯報OVT-IGBT(過壓斬波IGBT)故障和GR故障,導致列車下線。

故障列車回庫后,對其高壓回路的熔斷器箱、隔離開關箱、高壓接線箱、斷路器箱、VVVF箱等設備進行開箱檢查發現,斷路器箱內過壓吸收電阻的電阻帶脫落至箱體底部。用萬用表二極管檔對VVVF箱中的斬波器Q兩端電纜測量發現,正反均導通,說明斬波器Q被擊穿損壞。故障列車其余箱體設備均無異常。

VVVF箱體返回工廠后,經拆解、試驗和測量發現,斬波器Q及其驅動板、適配板和過壓吸收電阻均出現損壞。

2.2 故障機理

圖2為OVT-IGBT故障判定邏輯。由圖2可知,當控制器檢測到OVT-IGBT故障位置位、控制器及RIOM(遠程輸入輸出單元)電源正常,并持續0.5 s后,便向TCMS上報OVT-IGBT故障并切除本單元牽引。若車體電位較接觸網負線電位高100 V,則觸發GR故障。

圖2 OVT-IGBT故障判定邏輯圖

2.3 故障分析

IGBT故障樹如圖3所示。由圖3可知,OVT-IGBT故障原因可能為IGBT本體失效、適配板故障、驅動板故障、供電故障或控制器故障。結合VVVF箱體中驅動板、適配板、斬波器IGBT都出現損壞現象,可初步推斷導致OVT-IGBT故障的原因為:在斬波器Q工作時,過壓吸收回路中存在瞬時電壓尖峰,擊穿了驅動板、適配板和斬波器IGBT,于是報出OVT-IGBT故障。此外,由于IGBT被擊穿,過壓斬波回路處于導通狀態,故過壓吸收電阻長時間工作,最終溫度過高而損壞。而損壞的電阻碎片接觸車體,導致車體帶電,進而觸發GR故障。

圖3 IGBT故障樹

3 試驗驗證及改進措施

3.1 試驗驗證

為進一步確定OVT-IGBT故障原因,本研究根據車輛實際走線長度,搭建了2個實物測試單元(PU1、PU2)進行雙脈沖試驗。雙脈沖試驗接線如圖4所示。PU1到過壓吸收電阻的距離約為1.8 m,PU2到過壓吸收電阻的距離約為16.6 m,過壓吸收電阻阻值Re=5.4 Ω。通道1測量PU1單元斬波器Q的集電極C和發射極E之間電壓VCE1,通道2測量PU2單元斬波器Q的集電極C和發射極E之間電壓VCE2,通道3測量PU1的斬波電流I1,通道4測量PU2斬波電流I4。

圖4 雙脈沖試驗接線示意圖

圖5為PU1中斬波器Q開通工作時的VCE1波形圖截圖。從圖5可以看出,在斬波器關斷瞬間,VCE1出現了尖峰電壓。

圖5 PU1中斬波器Q開通工作時的VCE1波形圖截圖

由試驗結果可確定,IGBT故障發生的原因為:斬波器關斷瞬間,回路中產生了VCE1尖峰電壓;VCE1尖峰電壓擊穿了斬波器的適配板、驅動板,從而導致了OVT-IGBT故障。進一步分析可知,由于2號線每個單元組的三路過壓斬波回路共用1個過壓吸收電阻,故而更易導致斬波器關斷瞬間產生尖峰電壓。

3.2 改進措施

針對OVT-IGBT故障發生的原因,本文提出如下改進措施:

1) 優化過壓吸收回路主動放電功能,將開通過壓吸收回路對應的支撐電容電壓閾值提高,降低過壓吸收回路斬波器的工作頻率,減少開關損耗。這可有效避免斬波器因過熱而損壞;提高支撐電容電壓閾值對電容本身的性能和壽命無影響。

2) 對過壓吸收回路相關邏輯處理進行優化,增加有斬無流故障(斬波器工作,但回路中沒檢查到電流,說明回路有故障)和未斬有流故障(斬波器不工作,但回路中檢測到電流,說明斬波器有故障),從而可實時監控該回路的工作狀態。

3) 當斬波器IGBT發生故障后,易造成過壓吸收電阻過熱燒損,并導致GR故障。建議優化VVVF控制程序——一旦OVT-IGBT故障后,可通過控制高速斷路器切除該故障單元,避免故障影響范圍擴大。

4) 優化驅動板的相關參數,調節驅動電阻,降低IGBT的開關頻率,從而減小IGBT在關斷過程中產生的尖峰電壓,進而減小尖峰電壓對適配板的沖擊。

經現車驗證,最終解決了OVT-IGBT故障,保證了2號線正常運營。

4 結語

針對2號線多起過壓斬波IGBT故障,結合故障現象、故障機理和試驗驗證,最終確定了故障原因。針對故障原因,提出了故障改進措施。在后續車輛設計時,可考慮每路過壓斬波回路單獨配置1套過壓吸收電阻,從設計初期避免潛在的風險。