深圳地鐵玉龍線列車牽引逆變器故障分析

深圳地鐵玉龍線列車牽引逆變器故障分析

0接觸受流方式的線路深圳地鐵龍崗線工程全長41.7公里。這是中國第一條采用第三次垂直線原則的地下、地面、高架道路和停車場(chǎng)。該路線于2011年6月30日開通。該線近期配屬地鐵列車41列,采用4動(dòng)2拖的編組方式,為標(biāo)準(zhǔn)的B1型不銹鋼車體。地鐵車輛的牽引電氣系統(tǒng)采用韓國現(xiàn)代ROTEM技術(shù),并由湘潭電機(jī)股份有限公司進(jìn)行部分牽引電氣設(shè)備的國產(chǎn)化制造。與接觸網(wǎng)受流的方式相比,第三軌下部接觸受流方式可減少地鐵高架區(qū)段對(duì)城市景觀的影響,可降低地鐵牽引供電系統(tǒng)日常維護(hù)的工作量。1最大應(yīng)力場(chǎng)電壓—列車的牽引力及救援能力分析深圳地鐵龍崗線的地鐵車輛采用6節(jié)編組方式,3節(jié)車為一單元,編組方式為:+Tc-M-M=M-M-Tc+,其中:Tc為帶司機(jī)室拖車,M為動(dòng)車,+為拖車半自動(dòng)車鉤,=為中間M車半自動(dòng)車鉤,-為半永久牽引桿。列車各工況下的質(zhì)量如表1所示。列車最大牽引力計(jì)算公式為:式中:G—列車質(zhì)量,按AW3工況G=316.8t;GTc、GM—Tc車和M車的質(zhì)量,按AW0空車GTc=2×32t,GM=4×35t;KTc、KM—Tc車、M車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù),KTc=6%,KM=14%;a—列車加速度,m/s2;ωg—列車單位啟動(dòng)阻力,ωg=0.00981×5kN/t。列車在AW3工況下,按加速度a=1m/s2和啟動(dòng)阻力確定的列車最大牽引力為F=355.78kN。列車運(yùn)行總阻力為:式中:ω1—列車坡道單位阻力,kN/t,ω1=0.00981i;ω0—列車單位基本阻力,kN/t;ω0=0.00981×(1.867+0.0359×v+0.000745×v2)v—列車速度,km/h。由上述公式得出的列車牽引力和運(yùn)行阻力的速度關(guān)系曲線如圖1所示。以最大牽引力為基礎(chǔ),對(duì)列車故障救援能力的分析如下:1)在AW3工況下,當(dāng)1臺(tái)牽引逆變器故障,即列車為3動(dòng)3拖時(shí),列車在30‰上坡道的加速度為:此種狀態(tài)列車可以啟動(dòng)和完成自行運(yùn)行。但在同樣區(qū)段列車加速到80km/h的時(shí)間將比正常情況下增加。2)在AW3工況下,當(dāng)2臺(tái)牽引逆變器故障,即列車為2動(dòng)4拖時(shí),列車在30‰上坡道的加速度為:此時(shí)列車牽引力損失較多,列車可啟動(dòng)并運(yùn)行到前方最近車站清客后回段。2受流器受流后列車和列車情況龍崗線地鐵車輛的牽引主電路原理圖如圖2所示。列車兩端的Tc車在II位端轉(zhuǎn)向架兩側(cè)各有一組受流器(CS);每節(jié)M車有4組受流器,分別安裝在本車兩組轉(zhuǎn)向架的兩側(cè),其結(jié)構(gòu)如圖3所示。列車在運(yùn)營的正線或進(jìn)入車輛段運(yùn)用庫的停車線時(shí),均通過車輛單側(cè)的10只受流器同時(shí)受流,以提供VVVF或APS所需的1500V電源。當(dāng)車輛需要受流時(shí),受流器通過風(fēng)管供風(fēng)向上動(dòng)作,當(dāng)動(dòng)作點(diǎn)通過動(dòng)作彈簧的拐點(diǎn)后,彈簧的拉力使受流器處于保持升起的狀態(tài),此時(shí)不再需要風(fēng)壓,風(fēng)管中剩余的氣體排放到大氣中;反之,當(dāng)需要受流器落下脫離第三軌時(shí),另一管路提供風(fēng)壓并使受流器向下動(dòng)作,過程同上。受流器熔斷器的工作電流為600A,正常運(yùn)行時(shí)每節(jié)M車有兩只受流器同時(shí)受流,裕量較大,本節(jié)車單只受流器故障對(duì)VVVF的運(yùn)行沒有影響。受流器碳滑板的有效受流面積已經(jīng)充分考慮了電流密度冗余度,不會(huì)產(chǎn)生受流器接觸面過熱的問題。Tc車設(shè)置有模式開關(guān)箱(MSBBOX),并引出車間電源插座VPD1和VPD2。模式開關(guān)的閘刀(MS)有互鎖的功能,當(dāng)列車采用受流器受流時(shí),MS的1位閉合,2、3位分?jǐn)?當(dāng)列車需要進(jìn)入列檢線或檢查線時(shí),則要將滑觸線小車的插頭接入列車的車間電源插座VPD1或VPD2,此時(shí)MS的1位分?jǐn)?2、3位閉合,既保證了整列車的受流器不再有1500V的高壓,又安全地將直流1500V的電源引入到鄰近的M車VVVF中,列車變更為1動(dòng)5拖的方式被引入庫內(nèi)的列檢線或檢查線。母線接觸器(BLB)和母線斷路器(BHB)安裝于M1車的母線斷路器箱中,當(dāng)列車速度大于20km/h時(shí),它們處于閉合狀態(tài);當(dāng)列車某一單元的母線回路有接地故障時(shí),它們可及時(shí)分?jǐn)嗄妇€斷路器,防止故障擴(kuò)大,同時(shí)保證列車有1/2的動(dòng)力,使列車維持2動(dòng)4拖的狀態(tài)并運(yùn)行到前方最近車站清客后回段。在國內(nèi)第三軌受流的B型地鐵車輛中,設(shè)置母線斷路器箱是一種標(biāo)準(zhǔn)的母線保護(hù)方法。3牽引變量和牽引模式3.1牽引電機(jī)的增加牽引系統(tǒng)(見圖4)主要由高壓箱、濾波電抗器(FL)、制動(dòng)電阻器和VVVF組成。高壓箱由HSCB(高速斷路器),LB1、LB2(線路接觸器)和CHRE(充電電阻器)組成。VVVF包括FC(濾波電容器)和逆變器模塊。1500V直流電源自第三軌通過HSCB被輸入VVVF。當(dāng)列車準(zhǔn)備啟動(dòng)時(shí),HSCB和LB1閉合,LB2斷開,FC被充電至不低于1000V。特別值得注意的是,CHRE將限制FC的充電浪涌電流。當(dāng)FC被充電后,LB2閉合。FC與FL一起抑制諧波電流,并抑制第三軌的紋波電壓,使逆變器能安全地作為電壓源工作。龍崗線地鐵車輛的牽引系統(tǒng)使用電壓和頻率可變的電壓型逆變器,一節(jié)M車的一個(gè)VVVF對(duì)并聯(lián)的4臺(tái)牽引電機(jī)供電。三相逆變器采用了智能電源模塊IPM元件進(jìn)行變流,制動(dòng)斬波器則使用IGBT元件。VVVF內(nèi)包含有一個(gè)逆變器模塊,該模塊有6個(gè)IPM元件,將1500V直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟妷涸?電壓頻率可變)向4臺(tái)牽引電機(jī)供電。制動(dòng)時(shí),列車的動(dòng)能在發(fā)電機(jī)模式下通過牽引電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。所形成的交流電經(jīng)逆變器,以與供電模式相反的順序轉(zhuǎn)化為直流電并反饋到第三軌。電壓傳感器(DCPT1和DCPT2)對(duì)逆變器的第三軌電壓和直流側(cè)電壓值進(jìn)行監(jiān)測(cè),如果第三軌對(duì)再生能量沒有足夠的接納能力,此能量將會(huì)通過制動(dòng)斬波器在制動(dòng)電阻器中消耗,以防止第三軌電壓過高。M車的牽引電機(jī)為三相四極鼠籠式異步電動(dòng)機(jī),持續(xù)額定功率200kW,根據(jù)ROTEM/XEMC提供的測(cè)試規(guī)范,電機(jī)的試驗(yàn)項(xiàng)目完備,嚴(yán)格按照IEC60349標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行。整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也體現(xiàn)了高可靠性,在列車架修前可以做到電機(jī)系統(tǒng)的免維護(hù)性。3.2pm開關(guān)的頻次VVVF主要電力開關(guān)元件為IPM,通過控制施加到其門極的電壓來打開或關(guān)閉各IPM元件;通過調(diào)節(jié)IPM開關(guān)的次序,可控制三相輸出的頻率、相位和電壓,將直流電轉(zhuǎn)換為交流電,提供電機(jī)所需要的輸出電壓和頻率。對(duì)輸出電壓的控制是通過PWM控制完成,而輸出頻率是通過控制IPM的開關(guān)次序完成。如圖5所示,以開關(guān)SU~SZ表示逆變器模塊的6個(gè)IPM元件,在任何時(shí)點(diǎn),都會(huì)有3個(gè)開關(guān)打開,產(chǎn)生三相交流電。3.3牽引和制動(dòng)偏轉(zhuǎn)控制模式VVVF在牽引工況下分為三種控制模式:1)恒轉(zhuǎn)矩模式。列車速度0~45km/h,轉(zhuǎn)矩T為:式中:KT—轉(zhuǎn)矩比例常數(shù);U—逆變器輸出電壓;f—逆變器輸出電壓頻率;fs—轉(zhuǎn)差頻率。在該區(qū)間內(nèi),列車轉(zhuǎn)矩恒定,所以列車加速度也恒定。要保持恒定轉(zhuǎn)矩,U與f成比例增大,U/f的關(guān)系保持不變,fs也不變。牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流為:式中:KI為電流比例常數(shù)。因U/f為常數(shù),fs恒定,故轉(zhuǎn)子電流也保持常數(shù)。當(dāng)U增至電機(jī)的最大設(shè)計(jì)值1100V后,U/f的比例不再保持不變,此后列車加速度將下降。2)恒功率模式。列車速度45~72km/h,U恒定,fs與f成比例增大,轉(zhuǎn)矩將與1/f成比例下降。此時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)子電流保持恒定。由于電壓和電流均為常數(shù),因此該區(qū)間內(nèi)功率為恒定值。3)自然特性模式。列車速度72~100km/h,U和fs為常量,通過增大f以提高電機(jī)轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)矩與f平方成反比例下降。同時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流與f成反比例下降。VVVF在再生制動(dòng)工況下也分為三種控制模式:1)自然特性模式(列車速度100~70km/h)。與牽引工況時(shí)電機(jī)特性模式一樣,fs和U為常量,轉(zhuǎn)矩與f的平方成反比。同時(shí),電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流與f成反比,并一直增大直至達(dá)到最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。2)恒轉(zhuǎn)矩模式(列車速度70~10km/h)。恒轉(zhuǎn)矩模式分為兩個(gè)階段,列車速度70~45km/h,U恒定,要保持恒定的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,fs與f的平方成反比下降。電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流與f成比例。列車速度45~10km/h,此時(shí)fs為最小值,U與f成比例減小,以保持恒定轉(zhuǎn)矩。在進(jìn)行上述牽引和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的精確控制時(shí),矢量控制策略要優(yōu)于轉(zhuǎn)差頻率控制。尤其在控制的開始階段和低頻率區(qū)間,轉(zhuǎn)差頻率控制的性能不好。而在過調(diào)制和單脈沖模式時(shí),因?yàn)槿狈敵鲭妷菏噶康淖杂啥?只能進(jìn)行轉(zhuǎn)差頻率控制。所以,龍崗線地鐵車輛的VVVF采取了兩種控制模式的結(jié)合。在牽引電機(jī)的低速調(diào)制區(qū)域,矢量控制被激活,可對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確的瞬時(shí)控制;在高速的單脈沖模式下,轉(zhuǎn)差頻率控制被激活,可對(duì)平均轉(zhuǎn)矩和電機(jī)電流進(jìn)行控制。3.4工作流體池VVVF系統(tǒng)中使用的IPM和IGBT元件均采用熱管冷卻,而非普通散熱器的強(qiáng)迫風(fēng)冷,既降低了VVVF系統(tǒng)的工作噪聲,又能減少因?yàn)橥L(fēng)機(jī)帶來的故障。熱管主要由容器、少量工作流體和非壓縮氣體組成。容器是一個(gè)金屬管,內(nèi)壁上有凹槽的毛細(xì)結(jié)構(gòu)。工作流體和非壓縮空氣則裝置于真空容器中。IPM內(nèi)部的熱量通過熱導(dǎo)體向冷卻塊傳導(dǎo),熱管將這些熱量從冷卻塊傳至翅片,導(dǎo)致工作流體蒸發(fā)。工作流體的壓力影響氣體區(qū),使其變得更小,工作流體便流回到工作流體池。不可壓縮氣體占據(jù)的區(qū)域取決于溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于零度時(shí),工作流體凍結(jié),氣體