付清華

摘要：最近幾年，隨著城市軌道交通行業(yè)地鐵車輛技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的變頻空調(diào)被應(yīng)用到車輛中。變頻空調(diào)可以減小地鐵車輛的能耗，提高乘客舒適度。但是，變頻空調(diào)的6脈沖整流電路產(chǎn)生的諧波也會(huì)對(duì)車輛中壓母線電源質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵項(xiàng)目輔助變流器濾波單元中的三相濾波電容發(fā)生嚴(yán)重?zé)龘p的故障，結(jié)合理論與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，調(diào)查變頻空調(diào)產(chǎn)生的諧波對(duì)濾波電容的影響，分析其影響機(jī)制及影響程度，以供使用車載變頻空調(diào)的地鐵項(xiàng)目參考。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛變頻空調(diào);輔助變流器濾波電容;影響分析

引言

隨著我國(guó)軌道交通行業(yè)的迅速發(fā)展，地鐵在城市發(fā)展中擔(dān)當(dāng)了重要角色。地鐵車輛除了滿足安全、可靠外，其舒適度和節(jié)能效果也是很重要的指標(biāo)。舒適度滿足人們對(duì)生活品質(zhì)的追求，節(jié)能符合我國(guó)節(jié)能減排的大政方針，因此有必要對(duì)地鐵車輛的舒適度和節(jié)能效果進(jìn)行研究。目前在我國(guó)地鐵車輛上運(yùn)用較多的空調(diào)機(jī)組為定速空調(diào)機(jī)組，變頻空調(diào)機(jī)組應(yīng)用相對(duì)較少。

1輔助變流器濾波單元系統(tǒng)

受電弓下來(lái)的1500V直流電源經(jīng)過(guò)變流器單元和變壓器逆變?yōu)?80V/50Hz的三相交流電，通過(guò)三相濾波電容器及電抗器組成的LCL濾波器進(jìn)行濾波，為車輛輔助負(fù)載設(shè)備包括冷卻風(fēng)機(jī)、車載空調(diào)機(jī)組HVAC、制動(dòng)系統(tǒng)空壓機(jī)、充電機(jī)等供電。車載空調(diào)機(jī)組為變頻空調(diào)，通過(guò)6脈沖整流模塊將380V電壓整流為直流電壓，然后通過(guò)逆變器形成變壓變頻交流電源驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)。三相濾波電容器設(shè)計(jì)的目的是濾除變流器輸出的高次諧波，降低輸出三相電壓的畸波率。另外，除了作為濾波器的功能之外，三相電容器還可以為車輛感性負(fù)載消耗的無(wú)功功率提供無(wú)功功率補(bǔ)償。三相電容額定容值3×550μF±5%，額定電壓400V，峰值電壓620V，額定線電流160A。三相電抗器額定電抗3×18μH，額定電壓400V，額定電流370A。三相變壓器內(nèi)置的電抗器電抗為3×500μH。理想的交流電壓和電流波形應(yīng)該是單一頻率的正弦波，而實(shí)際的供電系統(tǒng)中由于負(fù)載的非線性會(huì)使電壓和電流產(chǎn)生畸變而偏離正弦，出現(xiàn)各種諧波分量。AC為變流器輸出電源，為集成在變壓器單元的三相電抗器，為三相濾波電容，為三相電抗器，為負(fù)載（變頻空調(diào)）產(chǎn)生的高次諧波電源。在單獨(dú)考慮負(fù)載側(cè)諧波分量Uh影響的情況下，可忽略對(duì)諧波電流的影響。由等效電路可見(jiàn)，諧波電流Ih在經(jīng)過(guò)電抗器的抑制作用后，全部經(jīng)過(guò)電容流通。在更惡劣的情況下，諧波頻次如果處于電感和電抗組成的LC諧振頻率帶，會(huì)產(chǎn)生更大的諧波電流。另外，諧波電壓會(huì)導(dǎo)致電容器運(yùn)行電壓有效值和峰值增大，直接降低濾波單元設(shè)備的設(shè)計(jì)余量。嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致電容器絕緣受損，引起局部放電，影響濾波電容壽命。

2故障成因

列車編組當(dāng)中布設(shè)了許多空壓機(jī)，這是為了確保其相互之間的均衡性，從而有效規(guī)避空壓機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)附著諸多冷凝水，所以擬定超出30%該類的運(yùn)轉(zhuǎn)周期。如果啟動(dòng)前導(dǎo)單元車搭配這一壓縮機(jī)，就不可以去啟動(dòng)預(yù)備所用的壓縮機(jī)。與這一現(xiàn)狀相對(duì)應(yīng)的是，如果縮減到預(yù)設(shè)風(fēng)缸壓力的情況下，前導(dǎo)空壓機(jī)將會(huì)被啟動(dòng)，從而有效填補(bǔ)運(yùn)行中所消耗掉的空氣壓力。如果在運(yùn)行的過(guò)程中裝置內(nèi)部的過(guò)多氣流被消耗掉，那么就會(huì)啟用備用范圍之內(nèi)的壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)缸初始?jí)毫Φ挠行钛a(bǔ)。在整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)中，如果其中的某一臺(tái)壓縮機(jī)呈現(xiàn)出故障的狀態(tài)，此時(shí)車輛并不會(huì)受到影響，依舊會(huì)保持常態(tài)運(yùn)行，其也不會(huì)對(duì)預(yù)設(shè)的列車性能帶來(lái)過(guò)多的干擾。但是，備用空壓機(jī)將會(huì)添加原有的輸出，直到初始的多倍為止?；诖?，只有設(shè)定雙重形式的負(fù)荷才能滿足空調(diào)系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要。基于這一系統(tǒng)情況，該地鐵車輛的空調(diào)系統(tǒng)常見(jiàn)故障主要包括以下幾種：壓縮機(jī)組不可以被有效啟動(dòng)、壓縮機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中油品泄露量超出了規(guī)定范圍、壓力升高的速度比較緩慢、所輸送到車廂之內(nèi)的氣力嚴(yán)重不足等。導(dǎo)致這些故障出現(xiàn)的根本原因在于以下幾點(diǎn)：壓縮機(jī)被堵塞;在管路銜接的地方存在一定的泄露點(diǎn);曲軸箱布設(shè)上了松動(dòng)形態(tài)之下的螺旋塞;氣動(dòng)配件在運(yùn)行的過(guò)程中發(fā)生了泄露。結(jié)合這些常見(jiàn)故障以及導(dǎo)致故障出現(xiàn)的主要原因可知，在檢查以及分析故障的時(shí)候，一定要集中針對(duì)銜接的插頭、推動(dòng)器以及曲柄調(diào)控的壓縮機(jī)進(jìn)行檢查;對(duì)于空氣管道的查驗(yàn)過(guò)程中，一定要對(duì)裝置所配備的螺旋塞進(jìn)行擰緊處理，如果在相關(guān)條件允許的情況下，也可以重新設(shè)置固有的密封裝置。在一些特殊的情況之下，粘結(jié)活塞遭到損壞之后，在裝置內(nèi)部的壓力遞增的過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)速率偏慢的問(wèn)題。針對(duì)這一情況，相關(guān)技術(shù)人員一定要認(rèn)真仔細(xì)的查驗(yàn)氣動(dòng)構(gòu)件所呈現(xiàn)出來(lái)的泄露狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)所特有的法蘭傾向泄露的時(shí)候，應(yīng)該將其歸結(jié)為進(jìn)氣口發(fā)生了堵塞現(xiàn)象，所以在日常運(yùn)維工作中一定要對(duì)進(jìn)氣口的口徑進(jìn)行定期查驗(yàn)，同時(shí)還要定期的清洗進(jìn)氣口，也可以將原有的過(guò)濾器進(jìn)行替換。

3地鐵車輛變頻空調(diào)對(duì)輔助變流器濾波電容的優(yōu)化

3.1車內(nèi)舒適度控制原理

空調(diào)機(jī)組制冷的基本控制原理是：客室車廂溫度或回風(fēng)溫度信號(hào)被反饋至控制器，由控制器進(jìn)行判斷并輸出控制信號(hào)以控制壓縮機(jī)的工作狀態(tài)。定速空調(diào)機(jī)組是通過(guò)壓縮機(jī)的頻繁啟?；蚺酝▉?lái)控制車內(nèi)的溫度和濕度的，當(dāng)車內(nèi)溫度高于目標(biāo)溫度上限值時(shí)壓縮機(jī)開(kāi)始工作，此時(shí)車內(nèi)溫度會(huì)迅速降低，直至達(dá)到目標(biāo)溫度下限值時(shí)壓縮機(jī)才會(huì)停機(jī)，如此反復(fù)來(lái)控制車內(nèi)溫度，這樣車內(nèi)溫度和濕度必然會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，舒適度較差。變頻空調(diào)機(jī)組是通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的工作頻率來(lái)控制車內(nèi)的溫度和濕度的，當(dāng)車內(nèi)溫度接近目標(biāo)溫度上限值時(shí)控制器會(huì)提高壓縮機(jī)工作頻率，從而使制冷量加大，當(dāng)車內(nèi)溫度與目標(biāo)溫度一致時(shí)控制器會(huì)維持壓縮機(jī)的工作頻率，當(dāng)車內(nèi)溫度接近目標(biāo)溫度下限值時(shí)控制器會(huì)降低壓縮機(jī)的工作頻率，這樣就把溫度和濕度控制在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)，車內(nèi)舒適度較好。

3.2改進(jìn)變頻空調(diào)

為了改善車輛中壓母線的電源質(zhì)量，可以在變頻空調(diào)的輸入側(cè)安裝濾波電抗器，用于抑制空調(diào)整流電路產(chǎn)生的諧波流竄到車輛母線中。一般來(lái)說(shuō)，在選擇插入電路的電抗器的容量時(shí)，應(yīng)使電抗器上的電壓降在負(fù)載的額定電壓2%～5%。而當(dāng)串聯(lián)安裝電壓降在5%的電抗器時(shí)，可以使高次諧波的含有率得到30%的改善。同時(shí)輸入電抗器壓降不宜取得過(guò)大，壓降過(guò)大會(huì)影響變頻空調(diào)機(jī)組正常工作。一般情況下選取進(jìn)線電壓的4%（8.8V）已足夠。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在軌道車輛運(yùn)行的過(guò)程中，空調(diào)系統(tǒng)發(fā)揮關(guān)鍵性作用，尤其在城市人口數(shù)量不斷增加，利用城市軌道交通出行的居民越來(lái)越多的背景下，只有確保軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛內(nèi)部溫度的有效調(diào)控，才能確保車廂內(nèi)部空氣的流通，進(jìn)而使得軌道車輛的舒適性增強(qiáng)。希望通過(guò)文章的闡述，可以使得相關(guān)技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到確保軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要意義，結(jié)合工作實(shí)踐總結(jié)軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)常見(jiàn)故障類型以及導(dǎo)致故障出現(xiàn)的根本原因，同時(shí)要利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)有效的制定故障排查以及維修方案，為廣大城市居民營(yíng)造更加舒適的出行環(huán)境。

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