馬洪崗

摘 要 隨著城市化建設加快，城市交通問題日益突出。具備速度高，乘坐舒適等特點的軌道交通得以迅速發(fā)展，輔助供電系統(tǒng)維持列車許多重要功能，輔助逆變器電源故障診斷成為系統(tǒng)故障診斷的基礎。目前對判斷主電路關鍵功率轉換器件IGBT開路故障尚無較好方法，文章主要針對列車常用輔助逆變器電源功率管路故障研究，通過仿真測試驗證理論方法正確性。

關鍵詞 軌道列車;輔助逆變器電源;開路故障診斷

隨著我國城市人口密度增大，具有運量大，節(jié)能環(huán)保等特點的城軌交通得到迅速發(fā)展。許多城市強化城軌交通的核心地位，車輛發(fā)車間隔逐步縮短，提升了對系統(tǒng)安全的要求。為保證列車安全運行，及時了解故障部位快速維修，列車故障診斷非常重要。城軌列車由行走系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等組成，輔助供電系統(tǒng)是列車重要部分，關系到乘客舒適性，擔任牽引系統(tǒng)主電路外裝置供電任務，如果出現(xiàn)故障，其復雜性導致發(fā)生故障不能確定部位，影響故障排除的及時性。現(xiàn)有逆變器系統(tǒng)故障檢測系統(tǒng)急需改進。通過分析地鐵輔助逆變器電源IGBT開路原因，制定合適的故障診斷方法非常必要。

1城軌列車輔助逆變器供電系統(tǒng)簡介

IGBT開路故障診斷方法可分為電流與電壓法。掌握輔助逆變器供電系統(tǒng)組成結構是故障診斷前提。輔助逆變器供電系統(tǒng)包括用電設備與分配系統(tǒng)。列車通過車廂受電弓引入DC1500V直流電，車廂輔助逆變器將直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟?，相鄰車廂輔助逆變器故障下可同擴展供電電路供電。

輔助系統(tǒng)供電方式分為分散集中與并聯(lián)供電。分散供電是每節(jié)車廂配備輔助逆變電源，可通過擴展供電裝置支援。列車有多個車廂，集中供電是三個車廂公用同一電源。列車配置包括供電裝置，集中供電集成輔助逆變器，減少列車設備。整列車輔助電源設備總重輕，總維修保養(yǎng)工作量低。集中供電方式是目前地鐵車輛應用主流[1]。并聯(lián)供電系統(tǒng)逆變器運行提高電源靈活性，用戶可根據(jù)需要組合系統(tǒng)功率，降低電源設計成本。

研究城軌列車采用分散供電方式，列車某臺輔助逆變器故障，系統(tǒng)損失最大輸出功率，不會對列車造成影響，單元內(nèi)故障不會影響列車運行，故障逆變器被切除，單元內(nèi)三列車有非故障逆變電源，控制系統(tǒng)為空調(diào)通風系統(tǒng)下達減載指令。采取經(jīng)濟通風方案，列車輔助供電系統(tǒng)供電采用集中分散式供電，集中供電方式采用SPWM調(diào)制輔助逆變器電源。

2輔助逆變器電源建模

用Simulink搭建電子電路模型可模擬運行工況，地鐵列車廣泛使用SPWM調(diào)制逆變器，調(diào)制方式有很大差異，搭建Matalab仿真模型，對功率管路故障模擬[2]。

逆變器采用三相半橋逆變拓撲，電路三相輸出對稱，可將逆變器視為輸出電壓相位互差120°半橋逆變器組合。SPWM調(diào)制中開關頻率高于輸出基波，逆變器可視為比例環(huán)節(jié)，Kpwm=E/Vtri，可得到調(diào)制輸入到逆變器輸出傳遞函數(shù)。電力裝置需滿足動靜態(tài)指標，要求與主回路設計與控制系統(tǒng)設計因素有關。與控制系統(tǒng)設計相關技術指標有輸出精度等。電力裝置需要精心設計主回路，采用PI調(diào)節(jié)器可實現(xiàn)無靜差，電流環(huán)存在非常必要，調(diào)節(jié)器可在負載增大下限制輸出電力避免破壞系統(tǒng)。

逆變器輸出電壓含有12N±1次諧波，為降低諧波含量，需設計合適的濾波器濾除諧波，陷阱式濾波器根據(jù)單一頻率諧波目標設計，靠近陷阱濾波諧波可得到抑制。將諧波頻率設計為12次，LC諧波頻率等于12次可消除諧波，但參數(shù)需要設計，需根據(jù)某控制目標設置條件?；ǚ糯蟊稊?shù)對L0/L增大，11次諧波放大倍數(shù)隨L0/L增大減小，在變壓器漏感L0一定下增加C，可提高諧波濾除效果。已知變壓器漏感，可設計所需參數(shù)L=0.1mH，C=0.7mF，濾波后電壓諧波含量在可接受范圍。

3基于輸出功率SPWM調(diào)制輔助逆電源開路故障診斷

由于電路簡單等優(yōu)點，SPWM調(diào)制輔助逆變電源應用廣泛，通過分析IGBT正常下各相電流正負極部分流向，找出電流正負極輸出功率與通過橋臂IGBT功率關系，提出故障診斷方法。在MATLAB仿真模型中進行測試驗證。

逆變器電源負載為三相對稱，每相PT測量電壓為負載電壓，CT測量電流為輸出負載電流，每相電壓能計算逆變器輸出功率，橋臂輸出電流正極性通過上冊IGBT，通過下側IGBT確定輸出電流負極性，電流通過與電壓積分算出IGBT功率，可反映下側工況。開路故障前存在隱患狀態(tài)，IGBT不呈現(xiàn)理想狀態(tài)，IGBT內(nèi)阻值很大，電路可等效為IGBT串聯(lián)電阻代表內(nèi)阻變化，IGBT假定為處于理想開關狀態(tài)，用IGBT阻值為x倍R電阻代表增大后內(nèi)阻，分析電路輸出功率，觀察與正常相比差異。設A相處于SPWM調(diào)制正弦波下半周，隱患功率管對電路造成影響。

正常三相輸出功率相等，可作為判斷開路隱患特征量。假設A相流過正極性電流，電流通過功率管T2反并聯(lián)二極管流通，A相電流接通直流側負極，故障前A相輸出負極性電流，電流達到零點后不會出現(xiàn)正極性電流。在另外兩相下正極性電流出現(xiàn)，正極性電流對應輸出功率為負值。IGBT發(fā)生開路故障，對應輸出功率為0。采用各相電流不同極性對應功率用于負載下，需對逆變器輸出率檢測，輸出率大于某值后開通檢測功能。通過分析逆變器工作，得出電流正負極電流輸出功率與橋臂IGBT輸出功率關系，印證IGBT故障診斷方法提取故障特征概念明確，可反映功率管工作狀態(tài)。

參考文獻

[1] 蔡鵬飛，鄭樹彬，彭樂樂.基于EEMD和GA-BP的列車輔助逆變器開路故障診斷研究[J].計算機測量與控制，2019，27（7）：25-31.

[2] 賞吳俊. 城市軌道列車輔助逆變電源的開路故障診斷研究[D].成都：西南交通大學，2014.