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)著重要的交通運輸?shù)淖饔?。我國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，如此高密度的自動化電氣件使用就會造成此類故障的頻繁發(fā)生，為列車的穩(wěn)定安全運營帶來巨大的困擾，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現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)闹匾O(shè)備，其運行的穩(wěn)定性直接關(guān)系到列車的運輸功能穩(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營效率，避免電氣系統(tǒng)中出現(xiàn)相應(yīng)的故障，有必要對地鐵車輛電氣系統(tǒng)中牽引系統(tǒng)故障檢修方面進行積極的研究，對于我國軌道交通的發(fā)展有著極為重要的意義。

1交流牽引系統(tǒng)概述

1.1電力傳動系統(tǒng)

世界各國對于本國的地鐵供電電壓制式都不盡相同，我國基本采用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。直流電機傳動和交流電機傳動是當(dāng)前地鐵車輛傳動的主流，成都地鐵采用的傳動方式就是交流電機傳動。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行電壓調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)，進而形成可以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的三相交流電，以此實現(xiàn)列車運轉(zhuǎn)。

1.2交流牽引系統(tǒng)的優(yōu)點

這種直流受電，轉(zhuǎn)換成交流進行輸出的城市軌道交通運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)維護費用偏低，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。（1）牽引性能上佳，制動性能良好。（2）牽引電動機的最大執(zhí)行功率大。（3）電機質(zhì)量較輕，輪對簧負擔(dān)較小，易高速行駛。（4）牽引和制動兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)換動作迅捷，可無縫銜接。（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)計數(shù)據(jù)進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)處理可以針對此類故障進行有效維修；IGBT開路故障是指：IGBT產(chǎn)生開路，但機車不會馬上失去動力，還會自行負載運行一段時間，在此期間故障波形中的大量諧波會造成牽引逆變器的溫度升高，在開路故障不易及時發(fā)現(xiàn)并排除的條件下，久而久之會造成牽引逆變器的使用壽命降低。由于在實際故障維修過程我們發(fā)現(xiàn)，同一臺機車的牽引逆變器上IGBT同時發(fā)生3個或3個以上的故障幾率幾乎為零，故多數(shù)為同一時間一個或兩個功能管產(chǎn)生故障。因此，在對牽引逆變器常見故障進行維修時可以針對這種情況只設(shè)計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

在實際應(yīng)用中，地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)通常會利用牽引逆變器控制技術(shù)，來完成對自身牽引系統(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，在運行時所要使用到的基波電壓之外，還需要對其中所包含的諧波電壓成分進行控制。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，會在系統(tǒng)的交流電壓作用下，與牽引電機的定子段形成電流作用。電氣牽引系統(tǒng)中的逆變器，會被自身所產(chǎn)生的基波電流所吸引，而產(chǎn)生逆變效應(yīng)。一般每臺地鐵車輛機車上都會配置有4臺牽引電機，并為其提供VVVF三相電源。每臺牽引電機都能與電源形成一個獨立的控制系統(tǒng)，產(chǎn)生的電流成分數(shù)值為主要受牽引電機相電流基波分量幅值、牽引電機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，還會和地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流諧波的振動衰減幅度有一定關(guān)系。同時，其控制模塊中，還聚集了8個3300V/800A的IGBT元件，這些元件有著制動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一步模塊化和標準化，線路上的散亂電感，會因此而被吸收掉，電路系統(tǒng)中的諧波將變得更加簡潔可靠。目前，先進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)保和簡潔，其實用性也將因此而進一步得到提高，有著廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.3仿真驗證分量

為了驗證地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)直流側(cè)電流諧波的實際應(yīng)用效果，技術(shù)人員通常會利用仿真驗證的方式，來檢驗其實際工作情況，方式如下：（1）首先，技術(shù)人員應(yīng)利用一臺50赫茲的交流電牽引逆變器，向地鐵車輛的電機進行供電。通常情況下，這時除了會在測量儀器上發(fā)現(xiàn)直流成分之外，還會發(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，對牽引電機進行供應(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到正常頻率的6倍左右。這樣大量的諧波電流將不僅會影響到逆變器輸入端口，還將對整條饋電線路造成負面影響。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)的得到運轉(zhuǎn)。

結(jié)語

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