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        鐵路客車單相逆變器交流濾波電容故障保護策略研究

        2021-08-30 02:55:32黎梅云
        鐵道車輛 2021年4期

        耿 巖, 李 博, 張 波, 黎梅云

        (1. 中國鐵路呼和浩特局集團有限公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010057;2.中車青島四方車輛研究所有限公司,山東 青島 266031)

        鐵路客車單相逆變器主要為本車的插座提供AC 220 V/50 Hz單相交流電源,其可靠性直接影響本車乘客插座連接負載的安全穩(wěn)定,甚至影響乘客的用電安全。

        F101、F102.熔斷器;KM101、KM102.接觸器;R101、R102.電阻;L101、L102.交流電抗器;C101、C104、C105、C106、C107、C108.電容;Q101~Q103.IGBT橋臂;T101.工頻隔離變壓器。圖1 鐵路客車單相逆變器主電路原理圖

        在列車運用過程中,因為單相逆變器的內(nèi)部器件本身故障、輸入電源或負載異常等原因,可能會導致輸出產(chǎn)生過電壓,引發(fā)用電安全。因而,單相逆變器輸出側(cè)過電壓保護策略的全面可靠尤為重要。

        近年來,鐵路客車單相逆變器多次發(fā)生過因交流濾波電容故障導致輸出過電壓燒毀負載的問題。經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn),單相逆變器在發(fā)生交流濾波電容故障后,輸出電壓升高,超出技術(shù)要求,但未觸發(fā)輸出過壓保護動作,仍持續(xù)工作最終導致負載過壓燒損。

        本文將探討這類故障產(chǎn)生的機理以及現(xiàn)行保護失效的原因,并研究有效的保護策略。

        1 工作原理

        主流的鐵路客車單相逆變器為統(tǒng)型產(chǎn)品,其主電路原理圖如圖1所示。

        鐵路客車單相逆變器的設(shè)計參數(shù)遵循TJ/CL251—2012《鐵道客車DC 600 V電源裝置技術(shù)條件》 中的要求。

        單相逆變器將輸入的DC 110 V直流電壓經(jīng)boost升壓整流電路變換輸出穩(wěn)定的DC 350 V直流電壓,經(jīng)全橋逆變電路轉(zhuǎn)換為交變脈沖電壓,通過LC輸出濾波器濾除交變脈沖電壓中的高頻部分,由工頻隔離變壓器隔離輸出AC 220 V/50 Hz交流電壓。

        如圖1所示,C107、C108為交流濾波電容,與交流電抗器L102構(gòu)成交流輸出LC濾波電路,TV103為有效值電壓傳感器。

        2 交流濾波電容開路試驗分析

        依據(jù)TJ/CL251—2012,對單相逆變器的輸出電壓要求如下:

        (1) 輸出電壓總諧波失真(THD)≤10%;

        (2) 輸出電壓精度為AC 220(1±5%) V。

        本文將在輸入電壓為DC 110 V、輸出空載時,通過通斷C107、C108與L102的連線,來對比電容開路故障前后的輸出電壓情況。

        2.1 正常工況

        圖2為正常工況下示波器測量的單相逆變器實際輸出電壓波形,圖3為正常工況下服務(wù)監(jiān)控軟件測得的單相逆變器輸出電壓幅值,輸出電壓波形和幅值均滿足技術(shù)要求。

        圖2 正常工況下示波器測量的單相逆變器實際輸出電壓波形

        圖3 正常工況下服務(wù)監(jiān)控軟件測得的單相逆變器輸出電壓幅值

        2.2 電容開路工況

        切斷C107、C108與L102的連線,模擬電容開路。圖4為電容開路工況下示波器測量的單相逆變器實際輸出電壓波形,圖5為電容開路工況下服務(wù)監(jiān)控軟件測得的單相逆變器輸出電壓幅值,結(jié)果對比見表1。

        圖4 電容開路工況下示波器測量的單相逆變器的實際輸出電壓波形

        圖5 電容開路工況下服務(wù)監(jiān)控軟件測得的單相逆變器輸出電壓幅值

        表1 正常工況和電容開路工況下的試驗結(jié)果

        由表1可以得出以下結(jié)論:

        (1) 正常工況下,單相逆變器的實際輸出電壓和服務(wù)監(jiān)控軟件測得的輸出電壓基本一致,有效值基本都為220 V;且單相逆變器輸出電壓波形為正弦波,波形光滑,諧波含量少。

        (2) 電容開路工況下,由示波器采集的輸出電壓波形為脈沖電壓,諧波含量高,即THD超標;單相逆變器服務(wù)監(jiān)控軟件測得的輸出電壓有效值為220 V,而實際輸出電壓有效值為276 V,輸出電壓幅值超過上限(220×(1+5%)=231 V)。

        3 電容開路時保護失效原因

        綜上,發(fā)生電容開路故障時單相逆變器輸出問題有輸出電壓THD超標和輸出電壓精度超限,下文將圍繞這兩點對電容開路時保護失效原因進行分析。

        3.1 輸出電壓THD超標

        如圖1所示,當C107、C108電容故障或連接線路異常導致LC濾波器電路中的電容開路時,LC濾波功能失效,傳遞給后方的輸出電壓為交變脈沖電壓,直接經(jīng)T101傳遞到負載側(cè)。而控制板以TV103采集到T101輸出的交變脈沖電壓為反饋,通過閉環(huán)控制,實現(xiàn)對輸出電壓精度的要求。

        由于此時單相逆變器輸出電壓為交變脈沖電壓,而非標準要求的正弦電壓,即輸出電壓中的高頻諧波沒有被濾除,導致輸出電壓THD超標。

        3.2 輸出電壓精度超限

        按照TJ/CL 251—2012要求,單相逆變器輸出電壓傳感器為有效值電壓傳感器,內(nèi)有低通濾波功能,可輸出采集電壓的有效值,且輸出平穩(wěn)。

        圖6為有效值電壓傳感器的內(nèi)部電路原理圖,內(nèi)部電路中設(shè)置有RC一階低通濾波器(圖6中藍框部分),起到對采集電壓的低通濾波作用。在RC一階低通濾波器中,R12=100 kΩ,C3=1 μF,其低通截止頻率fc=1/(2πRC)=1.6 Hz,對逆變輸出的交變脈沖電壓濾波效果顯著。

        R.電阻;T.三極管;VCC、GND.運算放大器U1的供電電源的正極、負極;M1.電壓采集電路的輸出端;D.二極管;C.電容。圖6 單相逆變器有效值電壓傳感器內(nèi)部電路原理圖

        在交流濾波電容開路后,雖然有效值電壓傳感器的采集電壓高頻諧波含量高,但因傳感器自身的低通濾波功能,其采集電壓中的高頻部分被濾除,輸出結(jié)果與正常工況的數(shù)值接近。此時檢測的采集電壓比實際低,而閉環(huán)控制輸出的實際電壓偏高。表1中正常和電容開路工況下單相逆變器的中間電壓、PWM占空比基本一致,驗證采集失效。

        綜上,單相逆變器采用了有效值電壓傳感器,電容開路時實際輸出電壓偏高(276 V),但因有效值電壓傳感器中存在低通濾波器,導致采集的輸出電壓偏低,閉環(huán)控制失效,輸出過壓保護動作不能觸發(fā)。

        4 可行保護策略

        4.1 策略分析

        結(jié)合故障原因分析,要對電容開路工況下的輸出過壓進行保護,應準確獲取實際的輸出電壓情況。

        (1) 應對輸出電壓進行瞬時采集,即將電壓傳感器的類型由有效值電壓傳感器調(diào)整為瞬時值電壓傳感器。

        (2) 采用瞬時值電壓傳感器時,根據(jù)香農(nóng)采樣定理,要獲取采樣波形,采樣頻率應至少為原波形輸出頻率的2倍。此時,應以兼顧滿足準確還原信號和耗用采集資源少為原則,提升采樣頻率。

        假定單相逆變器逆變控制的開關(guān)頻率為fk,且單相逆變器的控制方式為單級倍頻,如圖4所示,電容開路工況下,單相逆變器的輸出電壓波形為脈沖波形,其輸出頻率是開關(guān)頻率的2倍,即2fk。因而,提高采樣頻率fs,至少應為輸出頻率的2倍,即fs≥4fk。

        4.2 策略確定

        電容開路工況下,在使用瞬時值電壓傳感器且fs≥4fk的基礎(chǔ)上,確定了2個可行保護策略。

        策略2:增加輸出電壓波形的THD軟件側(cè)的超限保護。參考判據(jù)為:THD>10%持續(xù)1 s時,單相逆變器停機保護。

        5 仿真驗證

        使用MATLAB軟件中的Simulink搭建單相逆變器仿真模型, 如圖7所示。從仿真角度驗證可行保護策略1、策略2的有效性。

        PWM.單逆全橋逆變的4路IGBT的驅(qū)動脈沖;Vout.輸出電壓傳感器;Vout RMS.輸出電壓有效值顯示示波器。圖7 單相逆變器仿真模型

        5.1 策略1驗證分析

        通過仿真分析,驗證單相逆變器交流濾波電容開路工況下,在fs=fk、fs=2fk、fs=4fk這3種采樣頻率下,采樣結(jié)果對輸出電壓波形的還原情況。

        圖8為輸出電壓DC 110 V、輸出空載、電容開路工況下,單相逆變器的實際輸出電壓波形和3種采樣頻率下的輸出電壓采集波形。

        圖8 電容開路工況下單相逆變器的實際輸出電壓波形和3種采樣頻率下的輸出電壓采集波形

        圖9為電容開路工況下單相逆變器的實際輸出電壓有效值計算結(jié)果和采樣頻率下的輸出電壓有效值計算結(jié)果。

        圖9 電容開路工況下單相逆變器的實際輸出電壓有效值計算結(jié)果和采樣頻率下的輸出電壓有效值計算結(jié)果

        由圖8、圖9可以看出:

        (1)fs=fk、fs=2fk時,無法準確還原實際輸出電壓波形,采集不到峰值電壓,若用其采樣結(jié)果進行輸出電壓過壓保護時,從輸出電壓有效值、輸出電壓瞬時值兩點保護上,均無法對單相逆變器進行輸出過壓保護。

        (2)fs=4fk時,可比較準確地還原實際輸出電壓波形,并能采集到峰值電壓,且其輸出電壓有效值計算結(jié)果與實際情況比較接近。在電容開路工況下,其采樣結(jié)果從輸出電壓有效值、輸出電壓瞬時值兩點保護上,均可對單相逆變器進行輸出過壓保護。

        5.2 策略2驗證分析

        通過仿真分析,對正常工況和電容開路工況下的單相逆變器的輸出電壓波形進行FFT分析,得出2種工況下輸出電壓波形的THD仿真結(jié)果。

        圖10、11分別為正常、電容開路工況下單相逆變器輸出電壓波形的THD仿真結(jié)果。

        圖10 正常工況下單相逆變器輸出電壓波形的THD仿真結(jié)果

        從圖中可以看出,在這2種工況下,輸出電壓波形的THD有明顯區(qū)分:在正常工況下,THD(2.3%)<10%;而在電容開路工況下,THD(49.1%)>10%,即THD保護判據(jù)可用于識別電容開路故障工況。

        圖11 電容開路工況下單相逆變器輸出電壓波形的THD仿真結(jié)果

        綜上,從仿真角度驗證可行保護策略1、策略2均是有效的。

        6 結(jié)論

        交流濾波電容故障(開路)后,有效值電壓傳感器無法識別輸出脈沖電壓,而采用瞬時值電壓傳感器并配合至少4倍開關(guān)頻率的采樣頻率時,采樣值可真實反應實際輸出電壓情況。

        基于此,可對鐵路客車單相逆變器設(shè)置以下可行保護策略:(1)輸出電壓有效值過壓保護和瞬時值過壓保護;(2)輸出電壓THD超限保護。

        本文研究的可行保護策略可為類似產(chǎn)品和相同的拓撲電路提供參考借鑒,同時,可參考借鑒應用于軌道交通用單相逆變器、三相逆變器等輔助電源產(chǎn)品。

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