CRH1A型動(dòng)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(dòng)車所， 浙江杭州310008）
摘要：為解決CRH1A型動(dòng)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(dòng)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(dòng)車組的運(yùn)行品質(zhì)。
關(guān)鍵詞：CRH1動(dòng)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(hào)：U266.2；U292.91+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1000-128X(2009)05-0056-02
1 問題的提出
自CRH1型動(dòng)車組在杭州動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)電網(wǎng)的污染程度降至最低，同時(shí)使功率因數(shù)大于0.98。如圖1所示，牽引變壓器的2個(gè)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(dòng)時(shí)首先通過充電電阻接入電源，對(duì)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(shí)，由LCM控制2個(gè)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(shì)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(gè)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(gè)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(dòng)車組輔助設(shè)備供電。
圖1 變流器工作原理圖
牽引工況時(shí)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(shí)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(shí)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(shì)是由中間直流環(huán)節(jié)向電網(wǎng)反饋。
再生工況時(shí)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(shí)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(shí)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(gè)電容器和1個(gè)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。變流器中間直流環(huán)節(jié)是能量變換中的一個(gè)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(gè)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(dòng)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(huì)反向擊穿。因此必須對(duì)中間直流環(huán)節(jié)的電壓進(jìn)行監(jiān)控并對(duì)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(duì)較低的中間直流環(huán)節(jié)電壓。因此首先對(duì)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(duì)中間直流環(huán)節(jié)電壓進(jìn)行自動(dòng)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(shí)，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(dòng)控制裝置)、DCU/L（網(wǎng)側(cè)變流器驅(qū)動(dòng)控制裝置）發(fā)出保護(hù)性關(guān)機(jī)指令。電壓傳感器測(cè)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(dòng)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(cè)量值超過設(shè)定值時(shí)即觸發(fā)保護(hù)性動(dòng)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(jí)為1 900 V；中間直流環(huán)節(jié)電壓OVP關(guān)閉等級(jí)為1 840 V；MCM中間直流環(huán)節(jié)過壓等級(jí)（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(jí)（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(jí)（保護(hù)性阻斷）為200 V；ACM中間直流環(huán)節(jié)欠電壓等級(jí)（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(cè)量故障。原因可能是電壓測(cè)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(dòng)單元、接線、斬波器相位上的IGBT和DCU故障；LCM 電壓測(cè)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(cè)電路發(fā)生故障。原因可能是電壓測(cè)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(shí)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(dòng)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(cè)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(dòng)。
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(cè)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(dòng)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(dòng)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(huì)導(dǎo)致變流器隔離或關(guān)機(jī)，從而影響到動(dòng)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(dòng)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(shí)更換劣化元器件，可有效防止此類故障的發(fā)生，提高動(dòng)車組的運(yùn)行品質(zhì)。
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