CRH1A型動車組變流器中間直流環(huán)節(jié)電壓不穩(wěn)原因分析及處理措施
徐紅洲
（上海車輛段杭州動車所， 浙江杭州310008）

摘要：為解決CRH1A型動車組變流器頻繁隔離、關(guān)機(jī)的問題，從變流器工作原理及中間直流環(huán)節(jié)的控制機(jī)理入手，分析了CRH1A型動車組變流器中間直流環(huán)節(jié)電壓不穩(wěn)的原因，提出了解決措施，取得了較好的效果，有效地提高了動車組的運(yùn)行品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：CRH1動車組； 變流器； 中間直流環(huán)節(jié)； 電壓不穩(wěn)； 原因； 措施

中圖分類號：U266.2；U292.91+4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B   文章編號：1000-128X(2009)05-0056-02

1 問題的提出

    自CRH1型動車組在杭州動車組運(yùn)用所運(yùn)行以來，發(fā)生變流器故障39件，其中變流器中間直流環(huán)節(jié)電壓不穩(wěn)導(dǎo)致變流器關(guān)閉故障16件，因中間直流環(huán)節(jié)過壓導(dǎo)致變流器隔離8件，因中間直流環(huán)節(jié)欠壓導(dǎo)致變流器隔離或關(guān)閉8件，影響了動車組的正點(diǎn)運(yùn)行和服務(wù)質(zhì)量。因此很有必要從變流器工作原理及中間直流環(huán)節(jié)的控制機(jī)理入手，分析原因，提出相應(yīng)的解決措施。

2 變流器工作原理

2.1 變流器工作過程

    CRH1型動車組變流器為兩重四象限電壓型PWM變流器，采用脈寬調(diào)制（PWM）方式，使它對電網(wǎng)的污染程度降至最低，同時使功率因數(shù)大于0.98。如圖1所示，牽引變壓器的2個二次側(cè)繞組接入變流器箱，通過充電接觸器、充電電阻和牽引接觸器觸點(diǎn)引至網(wǎng)側(cè)變流器（LCM）輸入端，充電電阻與充電接觸器串聯(lián)后與牽引接觸器觸點(diǎn)并聯(lián)，LCM啟動時首先通過充電電阻接入電源，對中間直流環(huán)節(jié)充電，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)電壓充到一定值時，由LCM控制2個牽引接觸器閉合，充電接觸器斷開。牽引（整流）工況下能量傳遞的總趨勢是由電網(wǎng)向中間直流環(huán)節(jié)供電。兩重四象限網(wǎng)側(cè)變流器的2個全控橋并聯(lián)向中間直流環(huán)節(jié)供電。該中間直流環(huán)節(jié)并接3路負(fù)載，通過2個牽引電機(jī)逆變器（MCM1、MCM2）將直流電轉(zhuǎn)換成電壓、頻率可調(diào)的交流電供給牽引電機(jī)，還通過輔助變流器（ACM）轉(zhuǎn)換成三相400 V交流電給動車組輔助設(shè)備供電。

圖1 變流器工作原理圖
 

    牽引工況時PWM整流器工作在6種工作模式下：

    ①網(wǎng)壓與網(wǎng)流同為正時的3種工作模式：網(wǎng)側(cè)電感吸收網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電能；網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)和電感向中間直流環(huán)節(jié)供電；網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)和中間直流環(huán)節(jié)給電感供電。

    ②網(wǎng)壓與網(wǎng)流同為負(fù)時的3種工作模式：網(wǎng)側(cè)電感吸收網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)電能；網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)和中間直流環(huán)節(jié)給電感供電；網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)和電感給中間直流環(huán)節(jié)供電。再生（逆變）工況下能量傳遞總趨勢是由中間直流環(huán)節(jié)向電網(wǎng)反饋。

    再生工況時PWM整流器工作在6種工作模式下：

    ①網(wǎng)壓為正、網(wǎng)流為負(fù)時的3種工作模式：網(wǎng)側(cè)電感給電網(wǎng)供電；中間直流環(huán)節(jié)給網(wǎng)側(cè)電感、電網(wǎng)供電；網(wǎng)側(cè)電感給網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)和中間直流環(huán)節(jié)供電。

    ②網(wǎng)壓為負(fù)、網(wǎng)流為正時的3種工作模式：網(wǎng)側(cè)電感給電網(wǎng)供電；網(wǎng)側(cè)電感給網(wǎng)側(cè)電網(wǎng)和中間直流環(huán)節(jié)供電；中間直流環(huán)節(jié)給網(wǎng)側(cè)電感、電網(wǎng)供電。

2.2 變流器中間直流環(huán)節(jié)電壓控制

    1）變流器中間直流環(huán)節(jié)的組成及其作用中間直流環(huán)節(jié)電路由LCM(IGBT網(wǎng)側(cè)變流器)的支撐電容器、放電電阻器、二次諧波濾波器和MCM（IGBT電機(jī)變流器）的支撐電容器、斬波器以及ACM（IGBT輔助變流器）的支撐電容器共同組成。斬波器與安裝在電機(jī)變流器模塊之外的過壓電阻器相連。二次諧波濾波器包括4個電容器和1個串聯(lián)的電感，電感電容的串聯(lián)諧振頻率與電源的二次諧振頻率調(diào)成一致，用來濾除LCM輸出的二次電流，減小中間直流環(huán)節(jié)電壓紋波，從而減小牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。變流器中間直流環(huán)節(jié)是能量變換中的一個重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到變流器的控制。LCM、MCM、ACM 中的
支撐電容是一個能量緩沖器，可穩(wěn)定中間直流環(huán)節(jié)電壓，并包含足夠的電容量以保證中間直流環(huán)節(jié)電壓的波動維持在允許限度以內(nèi)，使變流器得到準(zhǔn)確控制。

   2）中間直流環(huán)節(jié)電壓基準(zhǔn)及控制

    IGBT若長期處于過電壓狀態(tài)，將會反向擊穿。因此必須對中間直流環(huán)節(jié)的電壓進(jìn)行監(jiān)控并對變流器采取保護(hù)性關(guān)閉或阻斷措施，以防止損壞的進(jìn)一步擴(kuò)大。

    在工作過程中，為提高功率半導(dǎo)體器件和其他元件的可靠性，盡量采用相對較低的中間直流環(huán)節(jié)電壓。因此首先對掛在同一中間直流環(huán)節(jié)上的所有變流器（LCM、MCM、ACM）計(jì)算其最低的中間直流環(huán)節(jié)電壓需求，然后VCU從中選出各中間直流環(huán)節(jié)電壓計(jì)算值中的最高值作為中間直流環(huán)節(jié)電壓參考基準(zhǔn)值，在給定基準(zhǔn)值后對中間直流環(huán)節(jié)電壓進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。

   3）中間直流環(huán)節(jié)過壓保護(hù)

    為確保中間直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定，應(yīng)監(jiān)控中間直流環(huán)節(jié)電壓。過壓保護(hù)（OVP）可防止 MCM 受電壓瞬變損害。通常情況下，中間直流環(huán)節(jié)出現(xiàn)過高電壓時，激活過壓斬波器，以此降低中間直流環(huán)節(jié)的電壓瞬變。當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)電壓被降低之后，OVP即隨之失效（如圖2所示）。如果中間直流環(huán)節(jié)電壓仍然上升，超過最大中間直流環(huán)節(jié)電壓水平，DCU/M(電機(jī)變流器驅(qū)動控制裝置)、DCU/L（網(wǎng)側(cè)變流器驅(qū)動控制裝置）發(fā)出保護(hù)性關(guān)機(jī)指令。電壓傳感器測量中間直流環(huán)節(jié)電容器的電壓，將關(guān)于中間直流環(huán)節(jié)電壓的信息數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送至DCU/M、DCU/L、DCU/A（輔助變流器驅(qū)動控制裝置），DCU將此數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算，測量值超過設(shè)定值時即觸發(fā)保護(hù)性動作，變流器保護(hù)性關(guān)機(jī)。中間直流環(huán)節(jié)電壓OVP開啟等級為1 900 V；中間直流環(huán)節(jié)電壓OVP關(guān)閉等級為1 840 V；MCM中間直流環(huán)節(jié)過壓等級（保護(hù)性關(guān)機(jī)） 為1 950 V ；ACM中間直流環(huán)節(jié)過電壓等級（保護(hù)性關(guān)機(jī)）為2 100 V；中間直流環(huán)節(jié)欠壓保護(hù)在中間直流環(huán)節(jié)充電之后激活。如果中間直流環(huán)節(jié)電壓在運(yùn)行期間低于規(guī)定水平，下達(dá)保護(hù)性關(guān)機(jī)指令；MCM中間直流環(huán)節(jié)欠壓等級（保護(hù)性阻斷）為200 V；ACM中間直流環(huán)節(jié)欠電壓等級（保護(hù)性阻塞）為800 V。

圖2 過壓斬波器工作范圍
 

3 影響中間直流環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定的因素

3.1 導(dǎo)致中間直流環(huán)節(jié)過電壓的因素

    ①中間直流環(huán)節(jié)上電壓的測量故障。原因可能是電壓測量傳感器故障、控制電腦故障（DCU）或電纜傳輸故障。

    ②中間直流環(huán)節(jié)放電故障。原因?yàn)椋悍謹(jǐn)嘟佑|器故障； MCM 過壓斬波器的驅(qū)動單元、接線、斬波器相位上的IGBT和DCU故障；LCM 電壓測量傳感器、接線和DCU故障；DCU/M MVB通信故障。

3.2 導(dǎo)致中間直流環(huán)節(jié)欠電壓的因素

    ①電壓檢測電路發(fā)生故障。原因可能是電壓測量傳感器故障、控制電腦故障（DCU）或電纜傳輸故障。

    ②中間直流環(huán)節(jié)充電故障。原因?yàn)椋壕W(wǎng)側(cè)電壓丟失或MCB在充電時斷開；充電/分?jǐn)嘟佑|器故障；中間直流環(huán)節(jié)短路；PWM整流器某一橋臂損壞可能導(dǎo)致欠壓故障的出現(xiàn)；主電路接觸器損壞，使直流母線電壓損耗在充電電阻上面有可能導(dǎo)致欠壓。

4 解決直流電壓不穩(wěn)的措施

    根據(jù)以上分析，結(jié)合 CRH1A動車組在杭州實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)生的變流器中間直流環(huán)節(jié)電壓不穩(wěn)的具體原因，認(rèn)為導(dǎo)致中間直流環(huán)節(jié)過電壓、欠電壓的主要原因?yàn)橹虚g直流環(huán)節(jié)電壓的測量值有誤，主要解決措施如下：

    ①檢查傳感器和DCU之間的接線是否松動。

    ②激活列車，并檢查所有變流器模塊中中間直流環(huán)節(jié)的電壓測量值是否正確。

    ③如果無法激活列車，則檢查傳感器在放電狀態(tài)下的輸出電壓，電壓值應(yīng)為15~20 V。

    ④如果沒有發(fā)現(xiàn)故障但是故障反復(fù)出現(xiàn)，則更換電壓傳感器。

    ⑤如果故障依然反復(fù)發(fā)生，則更換DCU控制板。其次，中間直流環(huán)節(jié)放電故障也是造成中間直流環(huán)節(jié)電壓過壓的原因之一，如2008年3月30日CRH1034A動車組M3車變流器因分?jǐn)嘟佑|器故障導(dǎo)致中間直流環(huán)節(jié)放電故障，造成中間直流環(huán)節(jié)過壓使網(wǎng)側(cè)變流器（LCM）隔離。中間直流環(huán)節(jié)充電故障同樣也是中間直流環(huán)節(jié)欠電壓的原因之一，如2008年2月4日，CRH1033A動車組M1車因充電接觸器故障導(dǎo)致充電失敗，造成中間直流環(huán)節(jié)欠壓使網(wǎng)側(cè)變流器（LCM）隔離。

5 結(jié)語

    變流器中間直流環(huán)節(jié)電壓不穩(wěn)會導(dǎo)致變流器隔離或關(guān)機(jī)，從而影響到動車組的運(yùn)行速度和空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行品質(zhì)，影響到動車組的正點(diǎn)運(yùn)行和乘客舒適度。通過定期檢查中間直流環(huán)節(jié)電路，及時更換劣化元器件，可有效防止此類故障的發(fā)生，提高動車組的運(yùn)行品質(zhì)。

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