動車組換氣裝置變流器網(wǎng)側(cè)峰值過流試驗分析及改進

趙曉春

(中國鐵路濟南局集團有限公司青島機車車輛監(jiān)造項目部 山東 青島 266111)

動車組空調(diào)換氣系統(tǒng)主要由空調(diào)裝置、換氣裝置、應急通風裝置組成。其中空調(diào)裝置主要用于制冷、制熱、通風，換氣裝置主要用于實現(xiàn)回風、新風供給和廢氣排出，應急通風主要用于空調(diào)故障緊急情況下的新風供給。空調(diào)、換氣裝置根據(jù)車型不同分別安裝在車底或車頂，應急通風裝置安裝在車廂的兩端，每輛車廂安裝2臺空調(diào)裝置、1臺換氣裝置、2臺應急通風裝置,整個換氣系統(tǒng)通過風道對新風、回風進行循環(huán)和廢氣的排出。

1 換氣裝置組成及原理

換氣裝置主要由風機、電機、風道、變頻器箱等組成，其作用主要為傳輸新風、回風和廢氣。新風由換氣裝置輸入，通過專用風道與空調(diào)機組相連，經(jīng)空調(diào)裝置冷卻后輸入客室，向客室提供了新鮮的空氣，極大地改善了動車組客室空氣質(zhì)量?；仫L即客室內(nèi)循環(huán)風，部分通過空調(diào)裝置循環(huán)再利用，確?？照{(diào)工況效率的提升，另一部分排出室外，即廢氣與部分回風的排出量等同于新風的輸入量，確?？褪覂?nèi)外壓差，保證客室內(nèi)空氣壓力恒定。廢氣即廁所內(nèi)異味經(jīng)專用排風道排出車體外，防止異味傳入客室內(nèi)[1]。

2 網(wǎng)側(cè)峰值過流試驗分析

2.1 過流故障現(xiàn)象

CRH2A型動車組做空調(diào)減半試驗(試驗需要斷開二單元VCB，用一單元主變壓器MTr擴展供電)，恢復ACK2和二單元VCB，然后測量換氣輸入713線電流，發(fā)現(xiàn)5～8車換氣無輸入電流，車下觀察發(fā)現(xiàn)二單元5～8車換氣裝置不起機，同樣的試驗方法測量一單元1～4車換氣裝置也出現(xiàn)不起機的問題。

查看換氣裝置逆變器LED報MIS0010(整流器故障)，主控板LED5、6燈交替閃爍，四象限控制板VV17長亮，根據(jù)燈顯信息判斷故障為網(wǎng)側(cè)電流峰值過流，斷電復位故障消除。

2.2 故障保護邏輯描述

網(wǎng)側(cè)電流過流故障觸發(fā)條件為：網(wǎng)側(cè)電流(峰值)大于300 A，封鎖脈沖，并在LED顯示MIS0010故障代碼。

2.3 故障原理分析

CRH2A型動車組1、2、3、4車換氣裝置為變壓器1的輔助繞組提供400 V電源，5、6、7、8車為變壓器2的輔助繞組供電，擴展供電時，先將二單元VCB2斷開，合上ACK2進行試驗，試驗結(jié)束后斷開ACK2，重新合上VCB2，但此時發(fā)現(xiàn)5、6、7、8車換氣裝置故障，每次均為被擴展對象發(fā)生故障。

通過擴展供電原理分析，在進行擴展供電時，從變壓器1的輔助繞組到5、6、7、8車換氣裝置的供電距離較長，在輔助繞組容量有限的條件下處于供電末端的網(wǎng)壓可能出現(xiàn)幅值降低畸變的現(xiàn)象，從而導致?lián)Q氣裝置網(wǎng)側(cè)電流過流。

2.4 電流測量

將換氣送風機打到運行位，換氣裝置逆變器內(nèi)的冷卻風扇開始運行，分3種情況對1車至8車的換氣裝置冷卻風扇穩(wěn)定時的電流進行測量，即：正常運行平穩(wěn)時的電流值，高速運行平穩(wěn)時的電流值，低速運行平穩(wěn)時的電流值，3種工況下的電流值允許范圍為：正常運行測量冷卻風扇旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定時的電流0.3～0.8 A，高速運行測量冷卻風扇旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定時的電流15～25 A，低速運行測量冷卻風扇旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定時的電流6～16 A。測量數(shù)值形成曲線如圖1所示，符合電流值允許范圍。

圖1 3種工況電流測量數(shù)值曲線圖

2.5 Matlab仿真試驗

換氣裝置采用逆變器控制送風機的運行頻率，通過提高送風機的靜壓力性能，能夠更好地抑制車內(nèi)的壓力變動，并且確保換氣量。換氣裝置上的電源為AC400 V單相50 Hz，換氣裝置電動送風機轉(zhuǎn)速可以根據(jù)車輛速度進行控制，即：車速160 km/h以下時，送風機以4 320 r/min低速運行；車速160 km/h以上時，送風機以5 820 r/min高速運行。換氣裝置電氣控制示意圖如圖2所示。

圖2 換氣裝置電氣控制示意圖

為提供理論分析依據(jù)，利用Matlab仿真軟件，驗證在網(wǎng)壓畸變條件下網(wǎng)側(cè)電流的變化趨勢，圖3是Matlab仿真網(wǎng)壓畸變條件下的電壓電流波形。從圖中可以看出，在網(wǎng)壓發(fā)生畸變時，網(wǎng)側(cè)電流同步出現(xiàn)畸變現(xiàn)象并迅速升高，超出過流保護門檻，導致峰值過流故障。

圖3 網(wǎng)壓畸變條件下電壓電流波形

2.6 現(xiàn)場測試波形

為了驗證分析結(jié)果，定位網(wǎng)壓畸變原因，聯(lián)系售后進行擴展供電工況下的換氣裝置輸入電壓、電流波形測試。圖4為變壓器2的主斷路器VCB斷開和閉合過程，換氣裝置的正常停機和啟動過程。圖5為ACK2斷開，換氣裝置網(wǎng)側(cè)電流發(fā)生過流故障過程。

圖4 VCB分合，換氣裝置正常啟停過程

圖5 ACK2斷開，換氣裝置網(wǎng)側(cè)電流發(fā)生過流故障過程

2.7 分析結(jié)論

現(xiàn)象發(fā)生在擴展供電時，ACK2接觸器斷開引起的網(wǎng)壓畸變，主斷路器VCB正常閉合，其他負載運行正常，結(jié)合理論分析和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析，可判斷為網(wǎng)壓異?；円鸬木W(wǎng)側(cè)峰值過流，導致?lián)Q氣裝置出現(xiàn)不起機的問題。

3 安全評估

(1)此次故障工況是ACK2接觸器斷開引起的網(wǎng)壓異?；儯M而導致網(wǎng)側(cè)峰值過流，未涉及變更軟件及硬件，其余負載工作均正常，不影響列車運行。

(2)在擴展供電的情況下，一旦發(fā)生網(wǎng)壓畸變，會造成換氣裝置不起機，進而影響旅客的舒適性，即：無法避免乘客產(chǎn)生耳鳴等不適，同時無法實現(xiàn)新風供給和車內(nèi)廢氣排放[2]。

4 改進措施

目前換氣裝置網(wǎng)壓鎖相方法為硬件過零鎖相，當網(wǎng)壓發(fā)生極端異?；?，出現(xiàn)頻繁過零情況時，鎖相相位和實際網(wǎng)壓相位易出現(xiàn)較大偏差，造成變流器工作異常。

針對上述情況，將鎖相方法優(yōu)化為軟件鎖相。采用數(shù)字鎖相方法，由乘法鑒相器、低通濾波器LF和壓控振蕩器三部分組成，純數(shù)字環(huán)節(jié)計算，鎖相速度快，精度高。

4.1 鎖相優(yōu)化可行性分析

4.1.1硬件過零鎖相

在換氣裝置做庫內(nèi)試驗時，偶發(fā)出現(xiàn)網(wǎng)壓異?；兊墓r，當時由上位機、示波器監(jiān)視的波形與此次網(wǎng)壓畸變引起的過流故障相類似，采用的鎖相方式為過零鎖相，可以看到在網(wǎng)壓異常突變的時候鎖相相位與實際偏差過大，如圖6所示。

圖6 故障時刻上位機監(jiān)視、示波器測試波形

4.1.2硬件過零鎖相理論仿真

在網(wǎng)壓畸變的工況下，用過零鎖相方式進行仿真分析(見圖7)，可以看出過零鎖相的響應較慢，網(wǎng)壓幅值與相位發(fā)生畸變的瞬間過零鎖相無法快速響應。

圖7 網(wǎng)壓畸變工況下過零鎖相的網(wǎng)壓相位與四象限輸入電流

4.2 軟件鎖相

4.2.1軟件數(shù)字鎖相理論仿真

在網(wǎng)壓畸變的工況下，用數(shù)字鎖相方式進行仿真分析(見圖8)，可以分析得出過零鎖相的響應較快，網(wǎng)壓幅值與相位發(fā)生畸變的瞬間可以快速響應，相位跟隨較好[3]。

4.2.2硬件過零鎖相與軟件數(shù)字鎖相理論仿真對比

模擬仿真網(wǎng)壓畸變工況，在網(wǎng)壓畸變時刻，可以發(fā)現(xiàn)過零鎖相的網(wǎng)壓相位與數(shù)字鎖相的網(wǎng)壓相位的信號同步情況，如圖9所示。

圖8 網(wǎng)壓畸變工況下數(shù)字鎖相的網(wǎng)壓相位與四象限輸入電流

圖9 硬件過零鎖相與軟件數(shù)字鎖相理論仿真對比

通過仿真效果對比，在網(wǎng)壓發(fā)生畸變的過程中，數(shù)字鎖相相位比過零鎖相相位吻合度高，能夠有效降低網(wǎng)壓畸變帶來的干擾，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，自1.4 us過后，硬件過零鎖相網(wǎng)壓相位嚴重偏離模擬的網(wǎng)壓相位，但軟件數(shù)字鎖相網(wǎng)壓相位與模擬的網(wǎng)壓相位有更好的動態(tài)響應。

5 結(jié)論

將鎖相方式更新為軟件數(shù)字鎖相可有效解決在網(wǎng)壓畸變工況下鎖相導致的網(wǎng)壓相位誤差問題，能有效抑制網(wǎng)壓異常工況下四象限輸入電流異常的情況，根據(jù)試驗性驗證考核，效果得到有效驗證。