CRH1A型動車組變流器中間直流環節電壓不穩原因分析及處理措施
徐紅洲
（上海車輛段杭州動車所， 浙江杭州310008）

摘要：為解決CRH1A型動車組變流器頻繁隔離、關機的問題，從變流器工作原理及中間直流環節的控制機理入手，分析了CRH1A型動車組變流器中間直流環節電壓不穩的原因，提出了解決措施，取得了較好的效果，有效地提高了動車組的運行品質。

關鍵詞：CRH1動車組； 變流器； 中間直流環節； 電壓不穩； 原因； 措施

中圖分類號：U266.2；U292.91+4 文獻標識碼：B   文章編號：1000-128X(2009)05-0056-02

1 問題的提出

    自CRH1型動車組在杭州動車組運用所運行以來，發生變流器故障39件，其中變流器中間直流環節電壓不穩導致變流器關閉故障16件，因中間直流環節過壓導致變流器隔離8件，因中間直流環節欠壓導致變流器隔離或關閉8件，影響了動車組的正點運行和服務質量。因此很有必要從變流器工作原理及中間直流環節的控制機理入手，分析原因，提出相應的解決措施。

2 變流器工作原理

2.1 變流器工作過程

    CRH1型動車組變流器為兩重四象限電壓型PWM變流器，采用脈寬調制（PWM）方式，使它對電網的污染程度降至最低，同時使功率因數大于0.98。如圖1所示，牽引變壓器的2個二次側繞組接入變流器箱，通過充電接觸器、充電電阻和牽引接觸器觸點引至網側變流器（LCM）輸入端，充電電阻與充電接觸器串聯后與牽引接觸器觸點并聯，LCM啟動時首先通過充電電阻接入電源，對中間直流環節充電，當中間直流環節電壓充到一定值時，由LCM控制2個牽引接觸器閉合，充電接觸器斷開。牽引（整流）工況下能量傳遞的總趨勢是由電網向中間直流環節供電。兩重四象限網側變流器的2個全控橋并聯向中間直流環節供電。該中間直流環節并接3路負載，通過2個牽引電機逆變器（MCM1、MCM2）將直流電轉換成電壓、頻率可調的交流電供給牽引電機，還通過輔助變流器（ACM）轉換成三相400 V交流電給動車組輔助設備供電。

圖1 變流器工作原理圖
 

    牽引工況時PWM整流器工作在6種工作模式下：

    ①網壓與網流同為正時的3種工作模式：網側電感吸收網側電網電能；網側電網和電感向中間直流環節供電；網側電網和中間直流環節給電感供電。

    ②網壓與網流同為負時的3種工作模式：網側電感吸收網側電網電能；網側電網和中間直流環節給電感供電；網側電網和電感給中間直流環節供電。再生（逆變）工況下能量傳遞總趨勢是由中間直流環節向電網反饋。

    再生工況時PWM整流器工作在6種工作模式下：

    ①網壓為正、網流為負時的3種工作模式：網側電感給電網供電；中間直流環節給網側電感、電網供電；網側電感給網側電網和中間直流環節供電。

    ②網壓為負、網流為正時的3種工作模式：網側電感給電網供電；網側電感給網側電網和中間直流環節供電；中間直流環節給網側電感、電網供電。

2.2 變流器中間直流環節電壓控制

    1）變流器中間直流環節的組成及其作用中間直流環節電路由LCM(IGBT網側變流器)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個電容器和1個串聯的電感，電感電容的串聯諧振頻率與電源的二次諧振頻率調成一致，用來濾除LCM輸出的二次電流，減小中間直流環節電壓紋波，從而減小牽引電動機的轉矩脈動。變流器中間直流環節是能量變換中的一個重要環節，直接關系到變流器的控制。LCM、MCM、ACM 中的
支撐電容是一個能量緩沖器，可穩定中間直流環節電壓，并包含足夠的電容量以保證中間直流環節電壓的波動維持在允許限度以內，使變流器得到準確控制。

   2）中間直流環節電壓基準及控制

    IGBT若長期處于過電壓狀態，將會反向擊穿。因此必須對中間直流環節的電壓進行監控并對變流器采取保護性關閉或阻斷措施，以防止損壞的進一步擴大。

    在工作過程中，為提高功率半導體器件和其他元件的可靠性，盡量采用相對較低的中間直流環節電壓。因此首先對掛在同一中間直流環節上的所有變流器（LCM、MCM、ACM）計算其最低的中間直流環節電壓需求，然后VCU從中選出各中間直流環節電壓計算值中的最高值作為中間直流環節電壓參考基準值，在給定基準值后對中間直流環節電壓進行自動調節。

   3）中間直流環節過壓保護

    為確保中間直流環節電壓的穩定，應監控中間直流環節電壓。過壓保護（OVP）可防止 MCM 受電壓瞬變損害。通常情況下，中間直流環節出現過高電壓時，激活過壓斬波器，以此降低中間直流環節的電壓瞬變。當中間直流環節電壓被降低之后，OVP即隨之失效（如圖2所示）。如果中間直流環節電壓仍然上升，超過最大中間直流環節電壓水平，DCU/M(電機變流器驅動控制裝置)、DCU/L（網側變流器驅動控制裝置）發出保護性關機指令。電壓傳感器測量中間直流環節電容器的電壓，將關于中間直流環節電壓的信息數據連續發送至DCU/M、DCU/L、DCU/A（輔助變流器驅動控制裝置），DCU將此數據與設定值進行比較運算，測量值超過設定值時即觸發保護性動作，變流器保護性關機。中間直流環節電壓OVP開啟等級為1 900 V；中間直流環節電壓OVP關閉等級為1 840 V；MCM中間直流環節過壓等級（保護性關機） 為1 950 V ；ACM中間直流環節過電壓等級（保護性關機）為2 100 V；中間直流環節欠壓保護在中間直流環節充電之后激活。如果中間直流環節電壓在運行期間低于規定水平，下達保護性關機指令；MCM中間直流環節欠壓等級（保護性阻斷）為200 V；ACM中間直流環節欠電壓等級（保護性阻塞）為800 V。

圖2 過壓斬波器工作范圍
 

3 影響中間直流環節電壓穩定的因素

3.1 導致中間直流環節過電壓的因素

    ①中間直流環節上電壓的測量故障。原因可能是電壓測量傳感器故障、控制電腦故障（DCU）或電纜傳輸故障。

    ②中間直流環節放電故障。原因為：分斷接觸器故障； MCM 過壓斬波器的驅動單元、接線、斬波器相位上的IGBT和DCU故障；LCM 電壓測量傳感器、接線和DCU故障；DCU/M MVB通信故障。

3.2 導致中間直流環節欠電壓的因素

    ①電壓檢測電路發生故障。原因可能是電壓測量傳感器故障、控制電腦故障（DCU）或電纜傳輸故障。

    ②中間直流環節充電故障。原因為：網側電壓丟失或MCB在充電時斷開；充電/分斷接觸器故障；中間直流環節短路；PWM整流器某一橋臂損壞可能導致欠壓故障的出現；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致欠壓。

4 解決直流電壓不穩的措施

    根據以上分析，結合 CRH1A動車組在杭州實際運行過程中發生的變流器中間直流環節電壓不穩的具體原因，認為導致中間直流環節過電壓、欠電壓的主要原因為中間直流環節電壓的測量值有誤，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。

    ②激活列車，并檢查所有變流器模塊中中間直流環節的電壓測量值是否正確。

    ③如果無法激活列車，則檢查傳感器在放電狀態下的輸出電壓，電壓值應為15~20 V。

    ④如果沒有發現故障但是故障反復出現，則更換電壓傳感器。

    ⑤如果故障依然反復發生，則更換DCU控制板。其次，中間直流環節放電故障也是造成中間直流環節電壓過壓的原因之一，如2008年3月30日CRH1034A動車組M3車變流器因分斷接觸器故障導致中間直流環節放電故障，造成中間直流環節過壓使網側變流器（LCM）隔離。中間直流環節充電故障同樣也是中間直流環節欠電壓的原因之一，如2008年2月4日，CRH1033A動車組M1車因充電接觸器故障導致充電失敗，造成中間直流環節欠壓使網側變流器（LCM）隔離。

5 結語

    變流器中間直流環節電壓不穩會導致變流器隔離或關機，從而影響到動車組的運行速度和空調系統的運行品質，影響到動車組的正點運行和乘客舒適度。通過定期檢查中間直流環節電路，及時更換劣化元器件，可有效防止此類故障的發生，提高動車組的運行品質。

參考文獻：

［1］ 劉志剛. 電力電子學［M］. 北京：北方交通大學出版社,2005.
［2］ Fredrik Einarsen BST公司. 中國高速CRH1電機變流器軟件設計規范［K］.青島：Fredrik Einarsen BST公司，2007.
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