地鐵車輛牽引逆變器的常見故障與維修

地鐵車輛牽引逆變器的常見故障與維修摘要：隨著城市化進(jìn)程不斷加快，人口不斷增多，城市軌道交通在特大城市、人口高密集度地區(qū)承擔(dān)著重要的交通運(yùn)輸?shù)淖饔?。我?guó)城市地鐵正在向著結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、功能多樣化、行使智能化方向邁進(jìn)，如此高密度的自動(dòng)化電氣件使用就會(huì)造成此類故障的頻繁發(fā)生，為列車的穩(wěn)定安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)巨大的困擾，這其中尤以牽引逆變器故障最為頻繁。由于牽引逆變器是幫助列車實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)闹匾O(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接關(guān)系到列車的運(yùn)輸功能穩(wěn)定性。因此，如何有效解決列車牽引逆變器常見故障也成為當(dāng)前城市軌道交通重點(diǎn)研究方向。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；牽引逆變器；故障；維修

引言

隨著我國(guó)城市交通擁堵問題的逐漸加劇，為了提升人民群眾的出行效率，我國(guó)各大中型城市陸續(xù)開展了地鐵工程的建設(shè)，從而希望其可以有效緩解城市交通壓力。為了保證地鐵車輛運(yùn)營(yíng)效率，避免電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)相應(yīng)的故障，有必要對(duì)地鐵車輛電氣系統(tǒng)中牽引系統(tǒng)故障檢修方面進(jìn)行積極的研究，對(duì)于我國(guó)軌道交通的發(fā)展有著極為重要的意義。

1交流牽引系統(tǒng)概述

1.1電力傳動(dòng)系統(tǒng)

世界各國(guó)對(duì)于本國(guó)的地鐵供電電壓制式都不盡相同，我國(guó)基本采用750V或1500V的單相直流電壓作為地鐵接觸網(wǎng)或第三軌的供電制式。就DC750V電源而言，電能是通過線路鋼軌旁邊設(shè)置的第三軌經(jīng)受流器引入地鐵車輛內(nèi)部，經(jīng)鋼軌最后形成回流；就DC1500V電源而言，機(jī)車則是通過接觸網(wǎng)經(jīng)受電弓將電能導(dǎo)入，并經(jīng)鋼軌最后形成回流。直流電機(jī)傳動(dòng)和交流電機(jī)傳動(dòng)是當(dāng)前地鐵車輛傳動(dòng)的主流，成都地鐵采用的傳動(dòng)方式就是交流電機(jī)傳動(dòng)。接觸網(wǎng)是地鐵車輛捕獲電能的首要部位，并經(jīng)由受電裝置傳輸至牽引逆變器，而作為完成能量轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié)，牽引逆變器將引入的電能進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)，進(jìn)而形成可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的三相交流電，以此實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2交流牽引系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

這種直流受電，轉(zhuǎn)換成交流進(jìn)行輸出的城市軌道交通運(yùn)行方式叫作交流牽引系統(tǒng)。這種系統(tǒng)不但能夠有效節(jié)約電能，還具備良好的穩(wěn)定性，且系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用偏低，這也是當(dāng)前地鐵車輛采用此系統(tǒng)的主要原因。而交流牽引系統(tǒng)還具備以下優(yōu)點(diǎn)。（1）牽引性能上佳，制動(dòng)性能良好。（2）牽引電動(dòng)機(jī)的最大執(zhí)行功率大。（3）電機(jī)質(zhì)量較輕，輪對(duì)簧負(fù)擔(dān)較小，易高速行駛。（4）牽引和制動(dòng)兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換動(dòng)作迅捷，可無(wú)縫銜接。（5）逆變器功率范圍大，列車速度調(diào)節(jié)范圍較寬。

2常見的牽引逆變器故障

通過調(diào)查地鐵列車監(jiān)視系統(tǒng)中有關(guān)牽引逆變器故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析我們不難得知：列車牽引逆變器屬于城市軌道交通中的多發(fā)部位，多數(shù)由于濾波電容充放電、二極管擊穿等故障造成的，其中尤以IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）故障發(fā)生的頻率最高，而牽引逆變器的IGBT故障狀態(tài)中又分為短路和開路兩種類型。IGBT短路故障是指：整個(gè)IGBT從閉合至打開的過程，由于電流下降突然，易形成尖峰電壓，進(jìn)而造成故障發(fā)生，通常此種情況我們采取電流閉環(huán)處理可以針對(duì)此類故障進(jìn)行有效維修；IGBT開路故障是指：IGBT產(chǎn)生開路，但機(jī)車不會(huì)馬上失去動(dòng)力，還會(huì)自行負(fù)載運(yùn)行一段時(shí)間，在此期間故障波形中的大量諧波會(huì)造成牽引逆變器的溫度升高，在開路故障不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除的條件下，久而久之會(huì)造成牽引逆變器的使用壽命降低。由于在實(shí)際故障維修過程我們發(fā)現(xiàn)，同一臺(tái)機(jī)車的牽引逆變器上IGBT同時(shí)發(fā)生3個(gè)或3個(gè)以上的故障幾率幾乎為零，故多數(shù)為同一時(shí)間一個(gè)或兩個(gè)功能管產(chǎn)生故障。因此，在對(duì)牽引逆變器常見故障進(jìn)行維修時(shí)可以針對(duì)這種情況只設(shè)計(jì)單管故障開路和雙管故障開路兩種故障類型診斷模式，這樣可以合理規(guī)避無(wú)用環(huán)節(jié)，使維修工作更加高效。

3地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流諧波的作用

3.1牽引逆變器控制

在實(shí)際應(yīng)用中，地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)通常會(huì)利用牽引逆變器控制技術(shù)，來(lái)完成對(duì)自身牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流諧波的控制操作。受此影響，地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)，除了將面臨交流牽引電機(jī)，在運(yùn)行時(shí)所要使用到的基波電壓之外，還需要對(duì)其中所包含的諧波電壓成分進(jìn)行控制。利用牽引逆變器控制技術(shù)，地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)能夠在不同開關(guān)函數(shù)的指引下，形成不同的開關(guān)狀態(tài)。這樣，地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)的變頻電壓，會(huì)在系統(tǒng)的交流電壓作用下，與牽引電機(jī)的定子段形成電流作用。電氣牽引系統(tǒng)中的逆變器，會(huì)被自身所產(chǎn)生的基波電流所吸引，而產(chǎn)生逆變效應(yīng)。一般每臺(tái)地鐵車輛機(jī)車上都會(huì)配置有4臺(tái)牽引電機(jī)，并為其提供VVVF三相電源。每臺(tái)牽引電機(jī)都能與電源形成一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，產(chǎn)生的電流成分?jǐn)?shù)值為主要受牽引電機(jī)相電流基波分量幅值、牽引電機(jī)基波電流滯后基波電壓的相位角、諧波次數(shù)、諧波電流與相應(yīng)諧波電壓的滯后相位角等因素所影響。

3.2線性濾波控制

為了更好的控制，地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流諧波。當(dāng)前地鐵系統(tǒng)還使用線性濾波的方式，通過濾波裝置不同控制變換，來(lái)形成不同幅度的諧波衰減，一般情況下，其衰減程度與濾波裝置的參數(shù)，及正向電流頻率等因素密切相關(guān)。除此之外，濾波的控制因素，還會(huì)和地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流諧波的振動(dòng)衰減幅度有一定關(guān)系。同時(shí)，其控制模塊中，還聚集了8個(gè)3300V/800A的IGBT元件，這些元件有著制動(dòng)三相逆變器三相橋臂的重要作用。元件中的模塊能夠充分發(fā)揮熱管散熱、溫度傳感、電源控制、脈沖分配等職能。地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流諧波，將在這些元件的影響下被進(jìn)一步模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，線路上的散亂電感，會(huì)因此而被吸收掉，電路系統(tǒng)中的諧波將變得更加簡(jiǎn)潔可靠。目前，先進(jìn)的地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)，能夠依靠這些IGBT元件所引入的自然風(fēng)，形成好的散熱效果，從而使系統(tǒng)變得更加環(huán)保和簡(jiǎn)潔，其實(shí)用性也將因此而進(jìn)一步得到提高，有著廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.3仿真驗(yàn)證分量

為了驗(yàn)證地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流諧波的實(shí)際應(yīng)用效果，技術(shù)人員通常會(huì)利用仿真驗(yàn)證的方式，來(lái)檢驗(yàn)其實(shí)際工作情況，方式如下：（1）首先，技術(shù)人員應(yīng)利用一臺(tái)50赫茲的交流電牽引逆變器，向地鐵車輛的電機(jī)進(jìn)行供電。通常情況下，這時(shí)除了會(huì)在測(cè)量?jī)x器上發(fā)現(xiàn)直流成分之外，還會(huì)發(fā)現(xiàn)電流存在著明顯的低頻率諧波成分。技術(shù)人員可以將逆變器所輸出的VVVF交流電壓，對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行供應(yīng)，使逆變器的輸入側(cè)出現(xiàn)各種不同成分的諧波電流；（2）這些諧波電流能夠達(dá)到正常頻率的6倍左右。這樣大量的諧波電流將不僅會(huì)影響到逆變器輸入端口，還將對(duì)整條饋電線路造成負(fù)面影響。為解決這一問題，技術(shù)人員在牽引逆變器的輸入端口設(shè)置線路的低通濾波器，這樣可以有效避免出現(xiàn)電流震蕩問題和電磁干擾問題，保證地鐵車輛能夠在電力系統(tǒng)的保障下，安全、順利、平穩(wěn)的得到運(yùn)轉(zhuǎn)。

結(jié)語(yǔ)

牽引逆變器是地鐵車輛運(yùn)轉(zhuǎn)的核心組成部分，其運(yùn)行的質(zhì)量直接關(guān)系到城市軌道交通的運(yùn)輸狀況，分析和統(tǒng)計(jì)牽引逆變器的常見故障，并依照支持向量機(jī)的能力進(jìn)行分析和建模，幫助牽引逆變器維修工作是十分必要的，這也是我國(guó)