深圳地铁玉龙线列车牵引逆变器故障分析

深圳地铁玉龙线列车牵引逆变器故障分析

0接触受流方式的线路深圳地铁龙岗线工程全长41.7公里。这是中国第一条采用第三次垂直线原则的地下、地面、高架道路和停车场。该路线于2011年6月30日开通。该线近期配属地铁列车41列,采用4动2拖的编组方式,为标准的B1型不锈钢车体。地铁车辆的牵引电气系统采用韩国现代ROTEM技术,并由湘潭电机股份有限公司进行部分牵引电气设备的国产化制造。与接触网受流的方式相比,第三轨下部接触受流方式可减少地铁高架区段对城市景观的影响,可降低地铁牵引供电系统日常维护的工作量。1最大应力场电压—列车的牵引力及救援能力分析深圳地铁龙岗线的地铁车辆采用6节编组方式,3节车为一单元,编组方式为:+Tc-M-M=M-M-Tc+,其中:Tc为带司机室拖车,M为动车,+为拖车半自动车钩,=为中间M车半自动车钩,-为半永久牵引杆。列车各工况下的质量如表1所示。列车最大牵引力计算公式为:式中:G—列车质量,按AW3工况G=316.8t;GTc、GM—Tc车和M车的质量,按AW0空车GTc=2×32t,GM=4×35t;KTc、KM—Tc车、M车转动惯量系数,KTc=6%,KM=14%;a—列车加速度,m/s2;ωg—列车单位启动阻力,ωg=0.00981×5kN/t。列车在AW3工况下,按加速度a=1m/s2和启动阻力确定的列车最大牵引力为F=355.78kN。列车运行总阻力为:式中:ω1—列车坡道单位阻力,kN/t,ω1=0.00981i;ω0—列车单位基本阻力,kN/t;ω0=0.00981×(1.867+0.0359×v+0.000745×v2)v—列车速度,km/h。由上述公式得出的列车牵引力和运行阻力的速度关系曲线如图1所示。以最大牵引力为基础,对列车故障救援能力的分析如下:1)在AW3工况下,当1台牵引逆变器故障,即列车为3动3拖时,列车在30‰上坡道的加速度为:此种状态列车可以启动和完成自行运行。但在同样区段列车加速到80km/h的时间将比正常情况下增加。2)在AW3工况下,当2台牵引逆变器故障,即列车为2动4拖时,列车在30‰上坡道的加速度为:此时列车牵引力损失较多,列车可启动并运行到前方最近车站清客后回段。2受流器受流后列车和列车情况龙岗线地铁车辆的牵引主电路原理图如图2所示。列车两端的Tc车在II位端转向架两侧各有一组受流器(CS);每节M车有4组受流器,分别安装在本车两组转向架的两侧,其结构如图3所示。列车在运营的正线或进入车辆段运用库的停车线时,均通过车辆单侧的10只受流器同时受流,以提供VVVF或APS所需的1500V电源。当车辆需要受流时,受流器通过风管供风向上动作,当动作点通过动作弹簧的拐点后,弹簧的拉力使受流器处于保持升起的状态,此时不再需要风压,风管中剩余的气体排放到大气中;反之,当需要受流器落下脱离第三轨时,另一管路提供风压并使受流器向下动作,过程同上。受流器熔断器的工作电流为600A,正常运行时每节M车有两只受流器同时受流,裕量较大,本节车单只受流器故障对VVVF的运行没有影响。受流器碳滑板的有效受流面积已经充分考虑了电流密度冗余度,不会产生受流器接触面过热的问题。Tc车设置有模式开关箱(MSBBOX),并引出车间电源插座VPD1和VPD2。模式开关的闸刀(MS)有互锁的功能,当列车采用受流器受流时,MS的1位闭合,2、3位分断;当列车需要进入列检线或检查线时,则要将滑触线小车的插头接入列车的车间电源插座VPD1或VPD2,此时MS的1位分断,2、3位闭合,既保证了整列车的受流器不再有1500V的高压,又安全地将直流1500V的电源引入到邻近的M车VVVF中,列车变更为1动5拖的方式被引入库内的列检线或检查线。母线接触器(BLB)和母线断路器(BHB)安装于M1车的母线断路器箱中,当列车速度大于20km/h时,它们处于闭合状态;当列车某一单元的母线回路有接地故障时,它们可及时分断母线断路器,防止故障扩大,同时保证列车有1/2的动力,使列车维持2动4拖的状态并运行到前方最近车站清客后回段。在国内第三轨受流的B型地铁车辆中,设置母线断路器箱是一种标准的母线保护方法。3牵引变量和牵引模式3.1牵引电机的增加牵引系统(见图4)主要由高压箱、滤波电抗器(FL)、制动电阻器和VVVF组成。高压箱由HSCB(高速断路器),LB1、LB2(线路接触器)和CHRE(充电电阻器)组成。VVVF包括FC(滤波电容器)和逆变器模块。1500V直流电源自第三轨通过HSCB被输入VVVF。当列车准备启动时,HSCB和LB1闭合,LB2断开,FC被充电至不低于1000V。特别值得注意的是,CHRE将限制FC的充电浪涌电流。当FC被充电后,LB2闭合。FC与FL一起抑制谐波电流,并抑制第三轨的纹波电压,使逆变器能安全地作为电压源工作。龙岗线地铁车辆的牵引系统使用电压和频率可变的电压型逆变器,一节M车的一个VVVF对并联的4台牵引电机供电。三相逆变器采用了智能电源模块IPM元件进行变流,制动斩波器则使用IGBT元件。VVVF内包含有一个逆变器模块,该模块有6个IPM元件,将1500V直流电逆变为三相交流电压源(电压频率可变)向4台牵引电机供电。制动时,列车的动能在发电机模式下通过牵引电机转化为电能。所形成的交流电经逆变器,以与供电模式相反的顺序转化为直流电并反馈到第三轨。电压传感器(DCPT1和DCPT2)对逆变器的第三轨电压和直流侧电压值进行监测,如果第三轨对再生能量没有足够的接纳能力,此能量将会通过制动斩波器在制动电阻器中消耗,以防止第三轨电压过高。M车的牵引电机为三相四极鼠笼式异步电动机,持续额定功率200kW,根据ROTEM/XEMC提供的测试规范,电机的试验项目完备,严格按照IEC60349标准的要求进行。整个电机系统的设计也体现了高可靠性,在列车架修前可以做到电机系统的免维护性。3.2pm开关的频次VVVF主要电力开关元件为IPM,通过控制施加到其门极的电压来打开或关闭各IPM元件;通过调节IPM开关的次序,可控制三相输出的频率、相位和电压,将直流电转换为交流电,提供电机所需要的输出电压和频率。对输出电压的控制是通过PWM控制完成,而输出频率是通过控制IPM的开关次序完成。如图5所示,以开关SU~SZ表示逆变器模块的6个IPM元件,在任何时点,都会有3个开关打开,产生三相交流电。3.3牵引和制动偏转控制模式VVVF在牵引工况下分为三种控制模式:1)恒转矩模式。列车速度0~45km/h,转矩T为:式中:KT—转矩比例常数;U—逆变器输出电压;f—逆变器输出电压频率;fs—转差频率。在该区间内,列车转矩恒定,所以列车加速度也恒定。要保持恒定转矩,U与f成比例增大,U/f的关系保持不变,fs也不变。牵引电机的转子电流为:式中:KI为电流比例常数。因U/f为常数,fs恒定,故转子电流也保持常数。当U增至电机的最大设计值1100V后,U/f的比例不再保持不变,此后列车加速度将下降。2)恒功率模式。列车速度45~72km/h,U恒定,fs与f成比例增大,转矩将与1/f成比例下降。此时,电机转子电流保持恒定。由于电压和电流均为常数,因此该区间内功率为恒定值。3)自然特性模式。列车速度72~100km/h,U和fs为常量,通过增大f以提高电机转速,转矩与f平方成反比例下降。同时,电机的转子电流与f成反比例下降。VVVF在再生制动工况下也分为三种控制模式:1)自然特性模式(列车速度100~70km/h)。与牵引工况时电机特性模式一样,fs和U为常量,转矩与f的平方成反比。同时,电机的转子电流与f成反比,并一直增大直至达到最大制动转矩。2)恒转矩模式(列车速度70~10km/h)。恒转矩模式分为两个阶段,列车速度70~45km/h,U恒定,要保持恒定的制动转矩,fs与f的平方成反比下降。电机的转子电流与f成比例。列车速度45~10km/h,此时fs为最小值,U与f成比例减小,以保持恒定转矩。在进行上述牵引和制动转矩的精确控制时,矢量控制策略要优于转差频率控制。尤其在控制的开始阶段和低频率区间,转差频率控制的性能不好。而在过调制和单脉冲模式时,因为缺乏输出电压矢量的自由度,只能进行转差频率控制。所以,龙岗线地铁车辆的VVVF采取了两种控制模式的结合。在牵引电机的低速调制区域,矢量控制被激活,可对转矩进行精确的瞬时控制;在高速的单脉冲模式下,转差频率控制被激活,可对平均转矩和电机电流进行控制。3.4工作流体池VVVF系统中使用的IPM和IGBT元件均采用热管冷却,而非普通散热器的强迫风冷,既降低了VVVF系统的工作噪声,又能减少因为通风机带来的故障。热管主要由容器、少量工作流体和非压缩气体组成。容器是一个金属管,内壁上有凹槽的毛细结构。工作流体和非压缩空气则装置于真空容器中。IPM内部的热量通过热导体向冷却块传导,热管将这些热量从冷却块传至翅片,导致工作流体蒸发。工作流体的压力影响气体区,使其变得更小,工作流体便流回到工作流体池。不可压缩气体占据的区域取决于温度。当环境温度低于零度时,工作流体冻结,气体