一种对轨道列车辅助逆变电源开路故障的诊断和处理方法的探讨

马洪岗

摘 要 随着城市化建设加快，城市交通问题日益突出。具备速度高，乘坐舒适等特点的轨道交通得以迅速发展，辅助供电系统维持列车许多重要功能，辅助逆变器电源故障诊断成为系统故障诊断的基础。目前对判断主电路关键功率转换器件IGBT开路故障尚无较好方法，文章主要针对列车常用辅助逆变器电源功率管路故障研究，通过仿真测试验证理论方法正确性。

关键词 轨道列车;辅助逆变器电源;开路故障诊断

随着我国城市人口密度增大，具有运量大，节能环保等特点的城轨交通得到迅速发展。许多城市强化城轨交通的核心地位，车辆发车间隔逐步缩短，提升了对系统安全的要求。为保证列车安全运行，及时了解故障部位快速维修，列车故障诊断非常重要。城轨列车由行走系统，制动系统等组成，辅助供电系统是列车重要部分，关系到乘客舒适性，担任牵引系统主电路外装置供电任务，如果出现故障，其复杂性导致发生故障不能确定部位，影响故障排除的及时性。现有逆变器系统故障检测系统急需改进。通过分析地铁辅助逆变器电源IGBT开路原因，制定合适的故障诊断方法非常必要。

1城轨列车辅助逆变器供电系统简介

IGBT开路故障诊断方法可分为电流与电压法。掌握辅助逆变器供电系统组成结构是故障诊断前提。辅助逆变器供电系统包括用电设备与分配系统。列车通过车厢受电弓引入DC1500V直流电，车厢辅助逆变器将直流电逆变为三相交流电，相邻车厢辅助逆变器故障下可同扩展供电电路供电。

辅助系统供电方式分为分散集中与并联供电。分散供电是每节车厢配备辅助逆变电源，可通过扩展供电装置支援。列车有多个车厢，集中供电是三个车厢公用同一电源。列车配置包括供电装置，集中供电集成辅助逆变器，减少列车设备。整列车辅助电源设备总重轻，总维修保养工作量低。集中供電方式是目前地铁车辆应用主流[1]。并联供电系统逆变器运行提高电源灵活性，用户可根据需要组合系统功率，降低电源设计成本。

研究城轨列车采用分散供电方式，列车某台辅助逆变器故障，系统损失最大输出功率，不会对列车造成影响，单元内故障不会影响列车运行，故障逆变器被切除，单元内三列车有非故障逆变电源，控制系统为空调通风系统下达减载指令。采取经济通风方案，列车辅助供电系统供电采用集中分散式供电，集中供电方式采用SPWM调制辅助逆变器电源。

2辅助逆变器电源建模

用Simulink搭建电子电路模型可模拟运行工况，地铁列车广泛使用SPWM调制逆变器，调制方式有很大差异，搭建Matalab仿真模型，对功率管路故障模拟[2]。

逆变器采用三相半桥逆变拓扑，电路三相输出对称，可将逆变器视为输出电压相位互差120°半桥逆变器组合。SPWM调制中开关频率高于输出基波，逆变器可视为比例环节，Kpwm=E/Vtri，可得到调制输入到逆变器输出传递函数。电力装置需满足动静态指标，要求与主回路设计与控制系统设计因素有关。与控制系统设计相关技术指标有输出精度等。电力装置需要精心设计主回路，采用PI调节器可实现无静差，电流环存在非常必要，调节器可在负载增大下限制输出电力避免破坏系统。

逆变器输出电压含有12N±1次谐波，为降低谐波含量，需设计合适的滤波器滤除谐波，陷阱式滤波器根据单一频率谐波目标设计，靠近陷阱滤波谐波可得到抑制。将谐波频率设计为12次，LC谐波频率等于12次可消除谐波，但参数需要设计，需根据某控制目标设置条件。基波放大倍数对L0/L增大，11次谐波放大倍数随L0/L增大减小，在变压器漏感L0一定下增加C，可提高谐波滤除效果。已知变压器漏感，可设计所需参数L=0.1mH，C=0.7mF，滤波后电压谐波含量在可接受范围。

3基于输出功率SPWM调制辅助逆电源开路故障诊断

由于电路简单等优点，SPWM调制辅助逆变电源应用广泛，通过分析IGBT正常下各相电流正负极部分流向，找出电流正负极输出功率与通过桥臂IGBT功率关系，提出故障诊断方法。在MATLAB仿真模型中进行测试验证。

逆变器电源负载为三相对称，每相PT测量电压为负载电压，CT测量电流为输出负载电流，每相电压能计算逆变器输出功率，桥臂输出电流正极性通过上册IGBT，通过下侧IGBT确定输出电流负极性，电流通过与电压积分算出IGBT功率，可反映下侧工况。开路故障前存在隐患状态，IGBT不呈现理想状态，IGBT内阻值很大，电路可等效为IGBT串联电阻代表内阻变化，IGBT假定为处于理想开关状态，用IGBT阻值为x倍R电阻代表增大后内阻，分析电路输出功率，观察与正常相比差异。设A相处于SPWM调制正弦波下半周，隐患功率管对电路造成影响。

正常三相输出功率相等，可作为判断开路隐患特征量。假设A相流过正极性电流，电流通过功率管T2反并联二极管流通，A相电流接通直流侧负极，故障前A相输出负极性电流，电流达到零点后不会出现正极性电流。在另外两相下正极性电流出现，正极性电流对应输出功率为负值。IGBT发生开路故障，对应输出功率为0。采用各相电流不同极性对应功率用于负载下，需对逆变器输出率检测，输出率大于某值后开通检测功能。通过分析逆变器工作，得出电流正负极电流输出功率与桥臂IGBT输出功率关系，印证IGBT故障诊断方法提取故障特征概念明确，可反映功率管工作状态。

参考文献

[1] 蔡鹏飞，郑树彬，彭乐乐.基于EEMD和GA-BP的列车辅助逆变器开路故障诊断研究[J].计算机测量与控制，2019，27（7）：25-31.

[2] 赏吴俊. 城市轨道列车辅助逆变电源的开路故障诊断研究[D].成都：西南交通大学，2014.