某地铁车辆辅助逆变器故障分析与研究

某地铁车辆辅助逆变器故障分析与研究

李大勇1* 张红江

（1.青岛地铁运营有限公司车辆部，山东  青岛  266031）

摘 要：城市轨道交通地铁车辆的辅助逆变器为车辆设备提供AC380V、AC220V、DC110V的稳定电源，是地铁运营的重要设备之一。本文以某地铁车辆辅助逆变器的故障为例，进行原因分析及研究，对后续新线建设中车辆选型具有指导意义。

关键词：辅助逆变器；预充电电路；支撑电容；熔断器；冲击电流

1 引言

辅助供电系统作为地铁车辆最主要的组成部分，对整车的正常运行起着重要的作用。城市轨道交通车辆辅助供电网络一般分为高压、中压和低压三种电压等级，高压（DC1500V/750V）通过辅助总线为整列车提供电源[1]，中压（AC380V/220V）主要为车辆空调、空气压缩机、风机等大功率负载供电，低压（DC110V/24V）主要为开关车门、蓄电池充电、乘客信息显示系统及各系统控制电路供电。目前，城市轨道车辆辅助系统供电主要采用集中供电和并网供电方式[2]。

2 辅助逆变器的基本原理

辅助逆变器，多简称SIV，是辅助供电系统的核心部件，主要工作原理是：将DC1500或DCV750V直流电逆变为交流电，交流输出部分将电网提供的直流高压逆变成AC380V/220V三相交流电压，为空调、空压机、照明灯等设备提供电源；同时直流输出部分可以整流输出DC110V/24V为蓄电池与低压直流负载提供电源[3]。其原理图如图1所示。

图1 辅助逆变器电路图

辅助逆变器的功能模块主要包括输入电路、滤波电路、三相逆变器、应急启动回路。

输入电路由预充电电路组成，包括主接触器、预充电接触器和预充电电阻，起到限制冲击电流作用；滤波电路可以提高辅助逆变器承受过压能力，提高系统稳定性；逆变器由IGBT构成，网压通过三相逆变器逆变为定压定频的三相交流电；应急启动回路，指应急启动功能，在列车蓄电池电压过低时，可提供控制电源启动逆变器。

3 辅助逆变器故障及分析

某地铁列车正线试运营期间，多次出现由于充电机前端熔断器熔断，发生充电机无法启动的故障。分析原因为列车供电线路存在短路点，导致供电分区跳闸保护，进而引起三轨线路系统过压，引起支撑电容大电流，熔断器触发保护性熔断。为保证列车在该工况下的行车安全性，提出以下 5 种可能的优化方案。

3.1  更改充电机输入母线进线

充电机由高压输入改为中压输入，即充电机输入主回路由接在DC1500V母线改为接在辅助电源AC380输出线上。

该方案存在三点问题：需重新设计充电机，拓扑原理变更；需重新设计辅助变压器，增大变压器容量，同时增大辅助逆变器输出功率，且同等风量下辅助模块及辅助变压器的散热能力不满足；存在故障后充电机不能工作的风险，降低了车辆供电的可靠性。

综上，方案一需要对整个辅助电源箱进行变更，且不能保证完全满足现有性能要求，不具备整改条件。

3.2  增大充电机输入熔断器

即增大充电机前端的熔断器容量，增加熔断器对短时过载电流的承受能力。熔断器的选型主要考虑被保护对象的工作电压和额定工作电流[4]。

充电机模块额定功率为25kW，工作电压为1500V，输入电流为：

25kW/0.9/1500V=18.5A。考虑修正系数，确认最小熔断器额定电流为30.9A。

根据熔断器选型原则，选用标称电流63A，电压DC2000V熔断器。根据辅助逆变器电容放电时间计算瞬变电压最小值约为2900V，直充时间约为 2~3ms，则该电压突变理论计算的平均冲击电流为：

但上述计算基于推测的电压值给出，实际电压值和冲击电流更大，不一定能够保证每次都无问题，且选用大标称电流熔断器偏离了设定熔断器的目的，不能可靠保护后级设备。

3.3  取消充电机输入熔断器

取消充电机前端熔断器，依靠电容自身耐受能力抵御外部瞬间电压突变的冲击。

在该方案下，由供电侧异常导致的瞬时电压、电流冲击将由充电机自身电容耐受能力消纳。经核算如果电容经受冲击过大超过电容的耐受范围及耐受时间或次数过多，可能会影响电容寿命。另外，如果充电机侧发生短路，会直接导致前端熔断器熔断，影响单台辅助电源的工作，扩大故障影响。

3.4  增加熔断器应急旁路接触器

增加熔断器应急旁路接触器，在熔断器熔断后，可以给出旁路命令，通过旁路接触器保证充电机的高压接入后，充电机可正常运行。

但该项变更需增加工作电压等级为DC1800V高压接触器和匹配的控制器件，所需空间较大，现有辅助电源箱箱体尺寸下无法增加，需要对箱体进行改动，加大箱体接口尺寸。

3.5  取消充电机前侧外接电容

取消充电机前侧外接支撑电容，降低充电机输入电容值，在外部供电电压出现瞬间突变时，降低由此引发的电流突变值，保证所述工况电流值在熔断器触发范围外。

目前，充电机支撑电容分为外接支撑电容（850uF）和模块内均压电容（115uF），根据方案2所述工况下，平均冲击电流为386A，将充电机前侧外接电容取消后，电压突变理论计算的平均冲击电流如下，在熔断器应用的安全范围内。

由于电容采用串并联，在取消外接电容后，电容整体耐压能力得到提高。该方案可增强充电机对于外界供电异常的适应性。在充电机设计时考虑利用支撑电容起到平缓输入电压的作用，将该外接电容取消后，充电机电容电压波动会有所增大，但是在当前充电机开关频率下（10kHz），能够满足充电机的应用要求，且不会由于外部供电异常导致的瞬间电压突变导致系统断器触发保护的问题。

4 问题探讨及展望

某地铁辅助逆变器的充电机熔断器频繁熔断问题，经过分析整改后，效果良好。但值得提出的是该问题应该在车辆的设计阶段及时发现，避免后续运营中再整改，增加整改难度和运营成本。

为了实现电源装置的高性能、低损耗、高效率，减小体积和降低重量，从而实现节能环保，实现电源装置的高频化是其手段之一。电源装置的高频化不仅减小了功率变换器的体积，增大了变换器的功率密度和性价比，而且极大地提高了瞬时响应速度，抑制了电源所产生的音频噪声[4]，从而成为新的发展趋势。

参考文献

[1]毕京斌,周双雷,夏猛等.地铁辅助逆变器新型控制策略研究[J].电气传动,2021,51(01):45-50.

[2]赵呈驰. 地铁车辆辅助变流器并联控制方法研究[D].西南交通大学,2022.

[3]李志杰,王明,罗嗣棂等.城轨车辆辅助逆变器设计研究[J].现代城市轨道交通,2020(09):17-20.

[4]王少林. 地铁辅助逆变系统研究[D].北京交通大学,2009.

[5]赵清良,刘清,曾明高.城轨地铁车辆辅助电源系统研究与发展[J].机车电传动,2012(01):52-57.