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        基于故障模式分類的輔助變流器三相電流不平衡故障優(yōu)化控制策略

        2022-09-22 09:20:30李健王雙全王先君
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2022年17期
        關(guān)鍵詞:相電流變流器機箱

        李健 王雙全 王先君

        (1.中國鐵路濟南局集團有限公司青島動車段 山東青島 266000;2.中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266111)

        輔助變流器是動車組關(guān)鍵部件之一,為列車輔助設(shè)備如冷卻通風(fēng)機、油泵、熱水器、空調(diào)裝置、照明等設(shè)備提供電源,其中,一款70kVA輔助變流器大批量運用于和諧號動車組,在線運行時,報出了三相電流不平衡故障。此故障發(fā)生后,會一直間歇性出現(xiàn),嚴(yán)重時影響動車正常運行,回動車所后,庫內(nèi)高壓試驗,極難復(fù)現(xiàn)。

        1 控制原理

        輔助變流器主電路采用“單相橋式IGBT 整流器+三相橋式IGBT逆變器”結(jié)構(gòu),由輸入充電電路、單相輸入變壓器、整流器、逆變器、波濾波器、控制機箱等組成,將單相交流電源變換為穩(wěn)定的三相電源,電路原理如圖1所示。其中,電流傳感器SC2、SC3、SC4 檢測逆變器三相輸出電流,當(dāng)任意兩相電流有效值差值大于20A時,持續(xù)1s,輔助變流器進(jìn)行三相電流不平衡故障保護,停止工作。

        圖1 電路拓?fù)?/p>

        2 理論分析

        輔助變流器的負(fù)載由多個三相平衡負(fù)載組成,根據(jù)電路原理,可等效變換為一個三相平衡負(fù)載模型。當(dāng)其中一個負(fù)載如W相缺相時,等效負(fù)載W相阻抗變大;W相短路時,等效負(fù)載W相阻抗變小。

        為簡化分析,假設(shè)輔助逆變器輸出的三相電壓為理想電壓源,表達(dá)式如下:

        根據(jù)支路電流法列出負(fù)載三相電流關(guān)系的獨立表達(dá)式:

        求得三相電流表達(dá)式如下:

        以W 相負(fù)載為例,假設(shè)==;=,定義為平衡系數(shù)。當(dāng)=1 時,三相負(fù)載平衡;當(dāng)>1時,W 相負(fù)載阻抗變大;當(dāng)<1 時,W 相負(fù)載阻抗變小。三相電流關(guān)系式簡化如下:

        相電流幅值變化用系數(shù)、、表征,三相電流相位變化趨勢可用、、表征。當(dāng)負(fù)載平衡時,三相電流幅值相等;、、相等為π/6,U、V、W相電流依次滯后2π/3。當(dāng)W 相完全斷開時,U、V 相電流相等,并小幅度增加,W 相電流降為0;減少至0,增加到π/3,U、V 兩相相位差增加大至π;當(dāng)W 相完全短路時,U、V 相電流增加,W 相電流大幅增加;增加最至π/3,減少至0,U、V兩相相位差縮小至π/3。同理可以分析U相或V相阻抗的變化。

        輔助逆變器三相輸出頻率為50Hz,U=400 ×1.414V,當(dāng)=2Ω 時,W 相阻抗變化分別在=0.1、=1、=5時進(jìn)行仿真分析。

        3 案例分析

        根據(jù)運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計,在動車組運行4年左右時,輔助變流器會發(fā)生三相不平衡故障,故障現(xiàn)象可自動消除,會反復(fù)間歇性出現(xiàn),地面復(fù)現(xiàn)較困難,更換傳感器、逆變器、控制機箱等相關(guān)部件,故障無法消除。

        故障記錄顯示,電流僅幅值偏小,頻率相同,相位正常,三相相位依次滯后120°,三相電壓正常,可以初步推測為電流檢測回路異常導(dǎo)致。

        電流檢測回路由電流傳感器、逆變器、控制機箱3個部分組成,三相電流檢測回路相互獨立,當(dāng)其中一相電流檢測偏小,其他兩相電流幅值、相位不受影響,與故障表象相似。

        排除故障不是由電流傳感器、逆變器、控制機箱功能故障引起,分析檢測回路信號傳遞過程中的薄弱環(huán)節(jié)。電流傳感器變比為300A∶150mA,屬于電流源信號,不受線路阻抗影響,逆變器通過25Ω采樣電阻轉(zhuǎn)為電壓,等效變?yōu)殡妷涸葱盘?,上傳控制機箱。當(dāng)線路阻抗過大時,控制機箱接收的信號變小,就會導(dǎo)致故障發(fā)生。逆變器和控制機箱分別通過24 芯和48 芯連接器連接,連接器經(jīng)受長時間的空氣污染、氧化,并且在振動、濕熱變化等惡劣工況下使用,接觸電阻出現(xiàn)間歇性增大。

        4 策略優(yōu)化

        考慮到檢測回路引起的三相電流不平衡對輔助變流器運行及負(fù)載沒有任何影響,本文提出一種軟件優(yōu)化方案,提高系統(tǒng)容錯性,降低故障率。

        檢測回路和負(fù)載引起的三相電流不平衡有本質(zhì)區(qū)別。根據(jù)基爾霍夫電流定律,對于電路的任意節(jié)點電流的代數(shù)和為零,因此負(fù)載引起電流不平衡,三相電流瞬時值之和仍為零,否則是檢測回路引起。工程運用中,可采取以下邏輯:當(dāng)采集到的三相電流和值為零時,并且滿足電流差值條件,判斷為負(fù)載引起的三相電流不平衡故障,進(jìn)行保護停機;當(dāng)和值不為零時,并且滿足電流差值條件,判斷為采樣異常引起的三相電流不平衡故障,維持運行。具體軟件邏輯流程圖如圖2所示。

        圖2 三相電流不平衡優(yōu)化方案

        5 結(jié)語

        本文提出的三相電流不平衡保護策略,增強了系統(tǒng)的容錯性,不影響對實際負(fù)載三相不平衡故障的保護。動車輔助變流器全部進(jìn)行軟件優(yōu)化后,故障大幅降低。故該三相不平衡優(yōu)化策略可以廣泛推廣運用,提升電氣系統(tǒng)可靠性。

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