基于故障模式分類的輔助變流器三相電流不平衡故障優(yōu)化控制策略

李健 王雙全 王先君

（1.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司青島動(dòng)車段 山東青島 266000；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東青島 266111）

輔助變流器是動(dòng)車組關(guān)鍵部件之一，為列車輔助設(shè)備如冷卻通風(fēng)機(jī)、油泵、熱水器、空調(diào)裝置、照明等設(shè)備提供電源，其中，一款70kVA輔助變流器大批量運(yùn)用于和諧號(hào)動(dòng)車組，在線運(yùn)行時(shí)，報(bào)出了三相電流不平衡故障。此故障發(fā)生后，會(huì)一直間歇性出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)影響動(dòng)車正常運(yùn)行，回動(dòng)車所后，庫(kù)內(nèi)高壓試驗(yàn)，極難復(fù)現(xiàn)。

1 控制原理

輔助變流器主電路采用“單相橋式IGBT 整流器+三相橋式IGBT逆變器”結(jié)構(gòu)，由輸入充電電路、單相輸入變壓器、整流器、逆變器、波濾波器、控制機(jī)箱等組成，將單相交流電源變換為穩(wěn)定的三相電源，電路原理如圖1所示。其中，電流傳感器SC2、SC3、SC4 檢測(cè)逆變器三相輸出電流，當(dāng)任意兩相電流有效值差值大于20A時(shí)，持續(xù)1s，輔助變流器進(jìn)行三相電流不平衡故障保護(hù)，停止工作。

圖1 電路拓?fù)?/p>

2 理論分析

輔助變流器的負(fù)載由多個(gè)三相平衡負(fù)載組成，根據(jù)電路原理，可等效變換為一個(gè)三相平衡負(fù)載模型。當(dāng)其中一個(gè)負(fù)載如W相缺相時(shí)，等效負(fù)載W相阻抗變大；W相短路時(shí)，等效負(fù)載W相阻抗變小。

為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)輔助逆變器輸出的三相電壓為理想電壓源，表達(dá)式如下：

根據(jù)支路電流法列出負(fù)載三相電流關(guān)系的獨(dú)立表達(dá)式：

求得三相電流表達(dá)式如下：

以W 相負(fù)載為例，假設(shè)==；=，定義為平衡系數(shù)。當(dāng)=1 時(shí)，三相負(fù)載平衡；當(dāng)＞1時(shí)，W 相負(fù)載阻抗變大；當(dāng)＜1 時(shí)，W 相負(fù)載阻抗變小。三相電流關(guān)系式簡(jiǎn)化如下：

相電流幅值變化用系數(shù)、、表征，三相電流相位變化趨勢(shì)可用、、表征。當(dāng)負(fù)載平衡時(shí)，三相電流幅值相等；、、相等為π/6，U、V、W相電流依次滯后2π/3。當(dāng)W 相完全斷開時(shí)，U、V 相電流相等，并小幅度增加，W 相電流降為0；減少至0，增加到π/3，U、V 兩相相位差增加大至π；當(dāng)W 相完全短路時(shí)，U、V 相電流增加，W 相電流大幅增加；增加最至π/3，減少至0，U、V兩相相位差縮小至π/3。同理可以分析U相或V相阻抗的變化。

輔助逆變器三相輸出頻率為50Hz，U=400 ×1.414V，當(dāng)=2Ω 時(shí)，W 相阻抗變化分別在=0.1、=1、=5時(shí)進(jìn)行仿真分析。

3 案例分析

根據(jù)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在動(dòng)車組運(yùn)行4年左右時(shí)，輔助變流器會(huì)發(fā)生三相不平衡故障，故障現(xiàn)象可自動(dòng)消除，會(huì)反復(fù)間歇性出現(xiàn)，地面復(fù)現(xiàn)較困難，更換傳感器、逆變器、控制機(jī)箱等相關(guān)部件，故障無(wú)法消除。

故障記錄顯示，電流僅幅值偏小，頻率相同，相位正常，三相相位依次滯后120°，三相電壓正常，可以初步推測(cè)為電流檢測(cè)回路異常導(dǎo)致。

電流檢測(cè)回路由電流傳感器、逆變器、控制機(jī)箱3個(gè)部分組成，三相電流檢測(cè)回路相互獨(dú)立，當(dāng)其中一相電流檢測(cè)偏小，其他兩相電流幅值、相位不受影響，與故障表象相似。

排除故障不是由電流傳感器、逆變器、控制機(jī)箱功能故障引起，分析檢測(cè)回路信號(hào)傳遞過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)。電流傳感器變比為300A∶150mA，屬于電流源信號(hào)，不受線路阻抗影響，逆變器通過(guò)25Ω采樣電阻轉(zhuǎn)為電壓，等效變?yōu)殡妷涸葱盘?hào)，上傳控制機(jī)箱。當(dāng)線路阻抗過(guò)大時(shí)，控制機(jī)箱接收的信號(hào)變小，就會(huì)導(dǎo)致故障發(fā)生。逆變器和控制機(jī)箱分別通過(guò)24 芯和48 芯連接器連接，連接器經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間的空氣污染、氧化，并且在振動(dòng)、濕熱變化等惡劣工況下使用，接觸電阻出現(xiàn)間歇性增大。

4 策略優(yōu)化

考慮到檢測(cè)回路引起的三相電流不平衡對(duì)輔助變流器運(yùn)行及負(fù)載沒有任何影響，本文提出一種軟件優(yōu)化方案，提高系統(tǒng)容錯(cuò)性，降低故障率。

檢測(cè)回路和負(fù)載引起的三相電流不平衡有本質(zhì)區(qū)別。根據(jù)基爾霍夫電流定律，對(duì)于電路的任意節(jié)點(diǎn)電流的代數(shù)和為零，因此負(fù)載引起電流不平衡，三相電流瞬時(shí)值之和仍為零，否則是檢測(cè)回路引起。工程運(yùn)用中，可采取以下邏輯：當(dāng)采集到的三相電流和值為零時(shí)，并且滿足電流差值條件，判斷為負(fù)載引起的三相電流不平衡故障，進(jìn)行保護(hù)停機(jī)；當(dāng)和值不為零時(shí)，并且滿足電流差值條件，判斷為采樣異常引起的三相電流不平衡故障，維持運(yùn)行。具體軟件邏輯流程圖如圖2所示。

圖2 三相電流不平衡優(yōu)化方案

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的三相電流不平衡保護(hù)策略，增強(qiáng)了系統(tǒng)的容錯(cuò)性，不影響對(duì)實(shí)際負(fù)載三相不平衡故障的保護(hù)。動(dòng)車輔助變流器全部進(jìn)行軟件優(yōu)化后，故障大幅降低。故該三相不平衡優(yōu)化策略可以廣泛推廣運(yùn)用，提升電氣系統(tǒng)可靠性。