曹雯

摘 要：補(bǔ)償系統(tǒng)包括濾波器和補(bǔ)償器，它主要用于消除高次諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率。但目前，補(bǔ)償變頻器IGBT相模塊的故障率較高，影響了補(bǔ)償系統(tǒng)的正常工作。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的分析和測(cè)試發(fā)現(xiàn)，變頻器風(fēng)扇開(kāi)斷自動(dòng)控制的滯后性可導(dǎo)致溫度波動(dòng)范圍增大，使IGBT相模塊部件與對(duì)應(yīng)的底板分層，進(jìn)而造成短路故障。改進(jìn)后，風(fēng)扇改設(shè)為持續(xù)工作狀態(tài)，以消除不利的溫度條件。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)償系統(tǒng)；IGBT相模塊；底板分層；風(fēng)扇自動(dòng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：U292.91+7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）21-0022-02

磁浮列車(chē)在運(yùn)行中會(huì)消耗很大的無(wú)功，且其牽引裝置在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生高次諧波，這都對(duì)電網(wǎng)有一定的影響。因此，在磁浮供電系統(tǒng)中設(shè)置了補(bǔ)償系統(tǒng)，其作用是補(bǔ)償無(wú)功功率并消除高次諧波。補(bǔ)償系統(tǒng)中的濾波器主要用來(lái)消除高次諧波和發(fā)出相對(duì)固定的容性無(wú)功；補(bǔ)償器則用來(lái)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償磁浮供電系統(tǒng)中的無(wú)功。

1 濾波器

每組濾波器都是利用電抗器與電容器組成的串聯(lián)電路達(dá)到濾波目的的。發(fā)生諧振時(shí)，電路的電抗為0，電流達(dá)到最大值（I=U/R）。在電壓為常數(shù)的情況下，電流的大小完全取決于電阻的大小。實(shí)際電路中的電阻很小。對(duì)于諧振頻率的電源而言，濾波器電路相當(dāng)于短路，諧振頻率的電流都會(huì)流向?yàn)V波器電路。因此，流過(guò)該諧振頻率的其他電流很小，這就是濾波器的作用原理。

經(jīng)供電部門(mén)測(cè)試，濾波器在磁浮列車(chē)運(yùn)行中投運(yùn)時(shí)，其諧波量符合要求。

2 補(bǔ)償器

補(bǔ)償器的主要器件是IGBT變頻器，每臺(tái)補(bǔ)償器的輸出功率為600 kVar，是獨(dú)立的變頻系統(tǒng)。變頻器通過(guò)強(qiáng)制換向和控制開(kāi)關(guān)脈沖的寬度，可將電容器直流電壓轉(zhuǎn)換至變頻器的交流側(cè)，使交流側(cè)產(chǎn)生可超前于或遲后于電流的正弦波電壓。也就是說(shuō)，補(bǔ)償器可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)產(chǎn)生從-600（容性）～600 kVar（感性）的無(wú)功功率。1套補(bǔ)償器的10組變頻器就能產(chǎn)生從-6 000（容性）～6 000 kVar（感性）的無(wú)功功率。它與一套濾波器相配合能產(chǎn)生從0～-12 000 kVar的無(wú)功功率，可充分滿(mǎn)足補(bǔ)償磁浮列車(chē)運(yùn)行的需要。但最關(guān)鍵的問(wèn)題是，補(bǔ)償器能根據(jù)系統(tǒng)的無(wú)功功率需要自動(dòng)調(diào)節(jié)無(wú)功輸出，即動(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)償，進(jìn)而使系統(tǒng)的功率因數(shù)>0.9.而如果全部采用靜態(tài)補(bǔ)償，就會(huì)在磁浮列車(chē)停止時(shí)造成過(guò)補(bǔ)償（容性無(wú)功功率過(guò)剩），進(jìn)而使系統(tǒng)的功率因數(shù)<0.9.

補(bǔ)償器全部正常時(shí)可使系統(tǒng)的功率因數(shù)>0.9，實(shí)際抄錄運(yùn)行中的功率因數(shù)大多在0.95以上；當(dāng)補(bǔ)償器中的變頻器發(fā)生故障時(shí)，功率因數(shù)明顯下降。

在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，變頻器的故障率較高，特別是IGBT相模塊短路的故障率很高，使用壽命僅為2～3年。

3 補(bǔ)償系統(tǒng)IGBT相模塊短路故障分析

為了解決變頻器IGBT相模塊的短路故障問(wèn)題，從而提高補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，近年來(lái)，我們多次分析了故障原因，檢查和重新計(jì)算了補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)模塊信息偏離相關(guān)規(guī)定值。

對(duì)損壞的IGBT模塊進(jìn)行超聲脈沖-回波調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，模塊在基板和底板下徹底分層，在發(fā)射器主要端子和底板下方徹底分層。

為了找到分層的原因，重新測(cè)量了補(bǔ)償系統(tǒng)的主要項(xiàng)目，比如變頻器電流、直流環(huán)節(jié)電壓（Ud）、變頻器無(wú)功功率、變頻器電流正弦波、相連變頻器的同步性能和相模塊散熱片的溫度等，但既沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這些項(xiàng)目偏離理論值，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)。

此外，測(cè)量了補(bǔ)償系統(tǒng)的其他項(xiàng)目，比如變頻器空氣入口處的空氣溫度、變頻器空氣入口處的空氣濕度、變頻器空氣出口處的空氣溫度和相模塊散熱片的振動(dòng)等，結(jié)果也未發(fā)現(xiàn)這些項(xiàng)目偏離相關(guān)理論值和規(guī)定值。

通過(guò)在散熱片的適當(dāng)位置鉆孔放置溫度傳感器測(cè)量在IGBT底板處溫度，并在2013-06-05—10對(duì)底板溫度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)冷卻風(fēng)扇持續(xù)工作時(shí)，IGBT底板的溫度變化范圍<20 ℃，在規(guī)定值的范圍內(nèi)。如果外部溫度過(guò)低，冷卻風(fēng)扇會(huì)在正常運(yùn)行期間通過(guò)滯后自動(dòng)控制進(jìn)行開(kāi)、關(guān)動(dòng)作（65 ℃時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟，55 ℃時(shí)自動(dòng)關(guān)閉）。在此情況下，IGBT底板的溫度浮動(dòng)范圍>30 ℃，超出了允許范圍。

以下是此次測(cè)試的簡(jiǎn)單描述。

選擇下列變頻器測(cè)試：龍陽(yáng)A軌=AEMK+BP01.9201.A23，2013-01-14安裝，運(yùn)行約8 400周期；浦東A軌=AEMK+BP 02.9201.A23，2011-10-25安裝，運(yùn)行約33 000周期。

在每個(gè)柜子中選取1個(gè)相模塊，在散熱片背面鉆孔，并在IGBT的底板上安裝熱傳感器。傳感器安裝后密封鉆孔，以防出現(xiàn)測(cè)試錯(cuò)誤。

在2013-06-05T04：00—2013-06-06T06：30龍陽(yáng)變頻器A23測(cè)試的溫度曲線(xiàn)運(yùn)行工況中，5節(jié)編組的列車(chē)往返運(yùn)行；在2013-06-05T04：30左右連接濾波器；在2013-06-05T06：45左右啟動(dòng)運(yùn)行模式；在2013-06-05T21：45左右結(jié)束運(yùn)行；在2013-06-05T22：10左右斷開(kāi)濾波器。列車(chē)運(yùn)行期間，風(fēng)扇一直處于工作狀態(tài)，并設(shè)置為開(kāi)斷自動(dòng)控制。

測(cè)試結(jié)果為：在外界溫度高于20 ℃的情況下，底板上的溫度波動(dòng)約為15 ℃。因2013-06-05T16：30開(kāi)始降雨，散熱片的溫度下降至50 ℃。因此，風(fēng)扇通過(guò)自動(dòng)控制被關(guān)斷，使底板的溫度大幅升高，約為70 ℃?？傮w溫度約上升了29 ℃。

在2013-06-10T13：21—2013-06-10T15：00龍陽(yáng)變頻器A23測(cè)試的溫度曲線(xiàn)運(yùn)行工況中，在散熱片的溫度達(dá)到70 ℃時(shí)（風(fēng)扇控制的測(cè)量溫度點(diǎn)），人工關(guān)斷變頻器，底板溫度下降至40 ℃，同時(shí)，風(fēng)扇通過(guò)滯后控制被關(guān)斷。將變頻器重新連接后，底板溫度快速上升，直至風(fēng)扇通過(guò)滯后控制再次打開(kāi)時(shí)，底板溫度已達(dá)到70 ℃。

測(cè)試結(jié)果為：溫度的浮動(dòng)范圍約為28 ℃。

在2013-06-07T04：00—2013-06-08T06：30浦東變頻器A23測(cè)試的溫度曲線(xiàn)運(yùn)行工況中，運(yùn)行期間風(fēng)扇一直保持工作狀態(tài)。

測(cè)試結(jié)果為：在外部溫度高于20 ℃的情況下，底板溫度的浮動(dòng)范圍約為l8 ℃，比龍陽(yáng)變頻器的底板溫度高出約10 ℃。假定IGBT運(yùn)行了33 000周次時(shí)，IGBT分層情況進(jìn)一步惡化，進(jìn)而使其熱性能惡化。

在2013-06-10T15：30—2013-06-10T17：00浦東變頻器A23測(cè)試的溫度曲線(xiàn)運(yùn)行工況中，當(dāng)散熱片的溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，人工關(guān)斷變頻器，同時(shí)，風(fēng)扇通過(guò)滯后控制被關(guān)斷。將變頻器重新連接后，散熱片的溫度達(dá)到70 ℃，變頻器關(guān)斷。

測(cè)試結(jié)果為：溫度的浮動(dòng)范圍約為32 ℃。

4 結(jié)論和改進(jìn)方法

經(jīng)過(guò)本次測(cè)可得出，所有IGBT故障具有相同的缺陷特性——IGBT部件與底板分層。幾乎所有的IGBT故障都發(fā)生在其經(jīng)過(guò)2次冬季后。在夏季，IGBT底板的正常溫度浮動(dòng)范圍<20 ℃（風(fēng)扇一直處于工作狀態(tài)）；在天氣寒冷時(shí)，風(fēng)扇因受滯后控制會(huì)被頻繁關(guān)斷，此時(shí)IGBT底板的溫度波動(dòng)范圍>30 ℃，進(jìn)而使IGBT的使用壽命縮短。

此次測(cè)試也證實(shí)了交替變換的載荷條件和不利的風(fēng)扇控制參數(shù)（控制滯后）會(huì)導(dǎo)致溫度的波動(dòng)范圍增大，進(jìn)而造成IGBT部件與對(duì)應(yīng)的底板分層。因此，應(yīng)調(diào)整所有變頻器的風(fēng)扇控制特性，將風(fēng)扇工作點(diǎn)的測(cè)量溫度由原先的65 ℃改為10 ℃。這樣變頻器風(fēng)扇可持續(xù)工作，進(jìn)而消除不利的溫度條件。

〔編輯：張思楠〕

Maglev Phase IGBT Module Fault Compensation System Analysis

Cao Wen

Abstract： The compensation system includes a filter and compensator， which is mainly used to eliminate high harmonics and reactive power compensation. But now， the failure rate of the compensation phase IGBT inverter module is higher， affecting the normal operation of the compensation system. After long-term analysis and testing found that the inverter automatically controls the fan breaking lag can lead to temperature fluctuation range increases， the phase IGBT module component corresponding to the base plate layered， thus causing a short circuit fault. After the improvements， the fan is set to change the status of ongoing work to eliminate adverse temperature conditions.

Key words： compensation system； IGBT phase module； bottom stratification； fan automatic control