软故障分析在地铁车辆辅助逆变系统维修中的应用*

李小波,吴 浩

(1 上海工程技术大学 城市轨道交通学院,上海201620;2 上海轨道交通维护保障中心 车辆公司,上海200233)

辅助逆变系统是地铁车辆上必不可少的电气设备,用于空调机组、通风机、照明、电加热器等交流负载提供稳定的三相380 V电源,同时输出的三相交流电压经变压器和整流装置后,可实现电源的多路直流输出。软故障的存在降低了辅助逆变系统的可靠性和安全性,影响其输出指标,甚至会导致开关器件短路或开路,引起结构性故障,造成严重后果。

地铁辅助逆变系统工作过程中,除去结构性故障之外,滤波电容的软故障尤为突出,极大地影响了整个系统的可靠性。这是因为电容的引出电极长时间经受大电流的充、放电冲击,出现不同程度的氧化现象,电容的瞬态充、放电电流值大为降低,使其储电能力下降,相当于电容容量严重减小。电容的容量减小,轻者表现为带负载能力差,负载加重时往往体现为直流回路欠电压故障。而电容的进一步损坏,还有可能使直流回路电压振荡,造成逆变模块的严重损坏。此类故障往往较为隐蔽,不如元件开路、短路容易引起重视,检查起来很费周折,用万用表测量有明显的充、放电现象,反向漏电流阻值也在容许范围内,给维修部门带来了麻烦。下面借助于 MATLAB/powergui中的FFT(Fastest Fourier Transform,快速傅里叶变换),实现逆变器滤波电容的软故障诊断。

1 三相PWM逆变器仿真

以上海地铁1号线为例。首先在MAT LAB/SIMULINK里对其辅助逆变系统的逆变部分进行仿真,仿真电路如图1所示。仿真参数设置与实际电路基本一致:直流电源电压为650 V,IGBT逆变桥采用6 kHz的载波频率,载波比N为12。逆变器输出端的滤波电感为0.25 mH,其阻值为2 mΩ,滤波电容为3个78 μ F的电容经一个0.5 μ F的电容接地,负载采用6.2 Ω的纯电阻代替。仿真采用ode23s算法,采样时间为5 μ s,系统仿真时间为0.12 s,以负载侧线电压和相电压作为监测变量。

图1 地铁辅助逆变系统三相PWM逆变器仿真模型

软故障诊断的主要任务是确认参数的实际值与正常值是否有偏差,偏差是否在许可范围之内。为了与实际情况保持一致,此处取电容容差为负值的情况进行研究,以78 μ F的电容发生软故障的情况为例来说明。由于电路中包含故障信息的关键点信号具有周期性,故将时域信息变换到频域中分析,从中抽取故障特征,实现故障诊断。

2 仿真结果分析

电容容差的变化必然会影响滤波器对谐波的抑制能力,可从 T HD(Total Harmonic Distortion,总谐波失真)值得到体现。利用SIMULINK/powergui模块,将电容从标准值到容差分别下降20%,30%,35%,40%,45%,50%几种情况的FFT分析,对应的电压幅值与T HD列于表1。

表1 不同电容容差情况下的电压幅值与THD

从表中可以看出,容差的变化对输出幅值的影响并不明显,T HD总体上是随容差增大而增大。说明随电容容差增大,系统谐波分量呈增大趋势。单从表 1 THD的变化来看,虽然容差下降超过30%之后,线电压THD已经超过5%的规定值,但电容容差带来的THD值变化并不明显。由于 THD值反映的是综合的情况,事实上,在电容容差增大的过程中,N+2次附近的谐波分量增大很明显,另外对系统工作影响较大的低频谐波成分也已经发生了很大变化。以故障电容所在相的相电压为例展开低频分析,如图2所示。由于被分析电容所在的三相LC滤波电路为振荡环节,根据逆变系统的参数,忽略电感电阻及线路阻抗,求得其截止频率为1 140 Hz。由振荡环节的特性可知,高于截止频率的频段将以-40 dB迅速衰减,所以FFT分析时取上限频率为2 000 Hz进行分析。

图2给出的是容差取35%和50%两种情况下故障相电压的FFT分析,横坐标是频率,纵坐标是各次谐波占基波(即50 Hz的信号)的百分比,图中基波信号为1。通过取不同容差进行多次仿真比较,结果表明谐波分量的分布集中在21～29次谐波之间,对应频率为1 050～1 450 Hz。考虑到LC滤波电路的建模精度,这些谐波分量多集中在滤波电路的转折频率附近,并且在容差为30%的时候T HD几乎到了系统容许的最大值,很容易产生谐振,这对逆变器的负载将产生很大影响,因此容差到30%的时候就应该换掉此电容,以避免发生更严重的结构性故障。

图2 电容容差分别为35%和50%时的FFT分析

以上海地铁一号线列车来说,由于辅助逆变器的空调负载,尤其当夏季来临时,输出部分的谐波分量所占比例加大,将使无功消耗分量增大,一方面使列车空调无法达到额定负荷,另一方面,谐波分量消耗的热量将加大大功率器件的开关损耗,导致非正常烧损或击穿,给线路带来运营和成本的双重压力。

3 结束语

基于MAT LAB/SIMULINK的powergui模块仿真分析技术,对地铁辅助逆变系统的滤波电容进行了软故障研究。该分析方法为列车大功率变换器的工作状态估计和故障分析提供了一个有效的方法,不仅可以辅助现场维修人员进行故障排查,而且对于地铁列车的深度维修和可靠运行具有重要的参考价值。

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