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1、南京铁道职业技术学院毕 业 论 文题 目： 城轨车辆辅助逆变器及车载蓄电池常见故障分析 作 者： 金冰彬 学 号：03314100743二级学院： 动力工程学院 系 ： 铁道机车车辆 专 业： 铁道机车车辆 班 级： 机车车辆宁波地铁司机1001 指导者： 聂玉庆 高级工程师 评阅者： 2013 年 3 月 毕业设计（论文）中文摘要 城轨车辆辅助逆变器及车载蓄电池常见故障分析摘要 城市轨道交通车辆辅助供电系统为列车辅助设备提供电源。早期的地铁、轻轨车辆的辅助设备主要是照明和广播等，辅助供电系统主要采用电动发电机组。随着城轨交通车辆的不断发展，人们对乘车的安全性、舒适性提出了更高的要求，辅助供电
2、系统的功能也日益增加。由逆变器、蓄电池及相应都部件组成的辅助供电系统为辅助设备提供电源，它的工作状态正常与否直接影响了整列车的功能，特别是当数列车发生辅助系统故障的时候，将引起列车运营能力的下降，进而导致整个运营线路的中断。关键词 辅助逆变器 蓄电池目录1 引言12 地铁电动列车辅助逆变系统概述12.1 辅助逆变系统的组成12.2 辅助逆变器模块的结构组成及其特点13 辅助逆变器内部控制与功能特点53.1 辅助逆变器的内部控制53.2 辅助逆变器的功能特点74 辅助逆变器的常见故障与故障原因分析74.1 辅助逆变器的故障表现74.2 辅助逆变器的故障原因分析75 车载蓄电池的简介及故障处理85
3、.1 车载蓄电池的简介85.2 车载蓄电池的故障处理85 结语106 致谢117 参考文献.121 引言城市轨道交通具有运能大、能耗低、污染少、速度快、安全准点等优点，随着社会改革开放的深入、国民经济的发展以及城镇化的演变，城市的路面交通的压力越来越大，环境的污染也越来越严重，故而城轨交通深受人民群众的欢迎同时也是城市轨道交通的快速建设期。城轨列车是城市轨道交通的运输工具也是城轨交通的重要载体，在正线运营中要确保城轨列车的正常工作，行车目的就是将乘客安全、快速、舒适的运送到目的地。然而辅助供电系统是实现列车控制的重要系统，它为除去牵引电机以外的所有车载设备供电，其中单单涉及为乘客提高舒适性和方
4、便的就有：通风机、电加热器、客室照明、乘客导乘信息系统、客室空调通风系统等。2 地铁电动列车辅助逆变系统概述现在的地铁列车一般在每节车厢都安装辅助逆变器，就以上海地铁的AC01型电动列车为例。2.1 辅助逆变系统的组成辅助逆变系统的组成如下图1所示，从左往右其组成部分为：输入的电流和电压检测模块、直流侧电容模块、放电电阻模块、过电压保护模块、辅助逆变器模块以及最后的输出电流检测模块。大致上辅助逆变系统是由这6个部分组成的，其中最主要的工作元件是辅助逆变器模块，它由6个可关断的开关管和6个可续流的二极管组成；过压保护模块有一个全控型开关管、两个二极管和四个电阻构成；其余几个模块的组成就较为简单的
5、多了，但这不代表他们的作用不大。2.2 辅助逆变器模块的结构组成及其特点上海地铁的AC0102型地铁车辆自从引进到现在已经运营了10几年了，它的辅助电源系统采用分散供电方式，就是说每一节列车都有一台辅助逆变器。辅助逆变器为模块化结构，大体上有14个模块。由于其中关键模块是采用的IPM(智能功率模块)器件，因此也被叫做IPM辅助逆变器。AC0102型电动列车的（A车）拖车与（B、C车）动车，其辅助逆变器因为要实现的功能不同所以在构造上也有所不同。动车的辅助逆变器是容量为90 kVA的普通的二电平三相逆变器模块。它的前级是双重的升压稳压斩波器模块。这两种模块也都是采用了IPM器件。 图1辅助逆变系
6、统的组成从图2中我们可以看出，它们的A11、A12这两个模块的电路与结构是相同的，都是带高频的变压器隔离的谐振式DCDC变换器；它的输入侧两个的电容为串联分压，输出侧为直流并联输出。这种连接方式可以使得其输入处的两个串联电容具有自动均压的作用。拖车的辅助逆变器中用的IPM 器件有300A1 200 V，600 A1 200 V 和75 1 200 V，400 A600 V等规格。其外形的尺寸比较大加上驱动的接口比较特别，所以与通用型的IGBT模块是不能兼容的。其中拖车的辅助逆变器模块中IPM器件的总体的故障概率比较大，大概占了所有故障的45左右，运行到后来可以达到69，甚至到A车辅助逆变器模块
7、几乎无备品备件的地步。并且这些类型的IPM器件是由日本三菱公司独家生产的，其中有些型号的产品(如规格为75 A1 200 V的IPM 器件)都快要停产了，其预备器件不能得到保证。考虑到IPM 器件的备件不能保证、故障率高等不利因素，研究人员对其故障进行了深入的分析与探索，用以在日后的发展中采取相应的对策；同时也考虑到采用通用型的IGBT器件进行国产化替代研制，以作好技术上的储备。从图2中的逆变器模块中，我们看它的电路元件是由6个全控型的开关管，这些开关管可以是：GTO、GTR、IGBT等等，还有6个续流二极管。每个开关管的驱动信号图2 拖车辅助逆变器持续180或120，同一相上下的开关管是交替
8、道通的，所以在任何时候都会有3个开关管导通。在一个周期内，6个管子触发导通的次序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6, 依次相隔60，导通开关的组合顺序为：VT1-VT2-VT3 VT2-VT3-VT4 VT3-VT4-VT5 VT4-VT5-VT6 VT5-VT6-VT1 VT6-VT1-VT2,每一种组合工作60电角度。工作的原理基本上就是这样，主要的还是元件上的技术制造、技术链接上的问题工作特点有:直流侧接有大电容，就相当于是一个电压源，所以直流电压基本上是没有波动的，直流回路呈现的阻抗比较低等特点。2.3 拖车辅助逆变器分析拖车的辅助逆变器中的关键部件是三相四线逆变器，和升
9、压稳压斩波器一起构成了A14.1模块（如图3所示）。将输入电感L2和输出电感L3及滤波电容模块A15添入，即为图3所示的用于分析的完整电路单元。此电路由两部分组成：第一部分为升压稳压斩波器，其输人为A11、A12模块输出的可变DC 300600 V电压(这是跟随网压而变化的)，输出为稳定的DC 650 V电压；第二部分为三相四线逆变器，其中线的构成方案较多。这里，中线采用是图3所示的方式，接有电容和电感组成的滤波器，通过上、下管的交替通断来形成中线，以获得50 Hz 380 v220 V的三相四线交流电压。图3中的升压稳压斩波器的结构和控制相同于通常的升压斩波器，对于接有输出滤波器的三相逆变器
10、，必须注意滤波器的参数与逆变器开关脉冲频率之间的关系以及其对逆变器性能的重要影响。从图4中看到，滤波电容模块中各个电容的值为76 F；三相滤波电感每一相电感值为0.2mH，中线相电感值为0.75 mH；三相滤波器的谐振频率为1.15 kHz。对于三相四线逆变器来说，逆变器的开关脉冲频率为6kHz，逆变器的输入电压是在调整后的才是稳定的DC 650 V。通过MATLAB仿真分析可以得出，为使逆变器的输出波形好就是尽量的接近正弦波，开关脉冲的频率要高些比较好，并且滤波器的参数要合适。即滤波器的谐振频率要远大于输出的基波频率，但又要明显的小于开关脉冲频率。在这个例子里面是前者20余倍，后者约五分之一
11、。参数为上述的正常值时，逆变器的仿真波形如图4所示。从图4中我们还可以看出，当逆变器正常工作的时候，它的输出的电流、电压波形如 (图(a)和(c)所示，接近于正弦波；逆变器的中线相的输出电流在对称的情况下是非常小的。当逆变器的输出参数变化不正常时(如电感50 H、电容2zF)的仿真波形，其滤波器的谐振频率约为16 kHz。由于开关脉冲频率为6 kHz，经傅氏展开后有16 kHz左右的高次谐波存在，则在此附近会引起谐振而导致电感电流和输出电压产生过流与过压的现象，严重时甚至将会引起电感过热性能下降或者是管子直接烧毁；图4（d）所示中线相的电流值比参数正常时要大了些，但是由于其三相还是对称，因此它
12、还是比较小的。当滤波器参数变化，使其谐振频率等于6 kHz时，而开关频率也为6 kHz，就会产生谐振。谐振时会引起很高的电流与电压(达6 000 A、20 000 V)应力，在高电流和高电压的影响下，如果这个逆变器的过流过压保护的及时的话，逆变器停止工作，这是最理想的结果但是往往最理想却很少发生，所以在这种情况下，这个逆变器基本毁坏，直接报废。由此可见这种情况是非常危害的同样也是绝对不允许发生的。当然现在的技术是可以避免掉这种情况，但是不代表它不发生，从而我们对待自己的工作时还是要认真，仔细。3 辅助逆变器内部控制与功能特点3.1 辅助逆变器的内部控制辅助逆变器内部控制系统主要由SIBCOsM
13、1300主控制器、SMCOSM9000 CAN节点以及SIBCOSM2000模块控制器构成。M1300是辅助逆变器的高层控制系统， M9000则属于双位输入输出的子控制系统，M2000是集成在蓄电池充电机或者PMMI中的控制模块。一些二位输入输出的控制信号可以通过列车硬线与M9000和 M1300实现传输，M1300与VCU、M1300与M1300之间通过车辆多功能总线(MVB)传输信号， M1300与M9000、M1300与M2000、M9000与M2000之间则可以通过CAN总线通信。辅助逆变器的设计是一个双辅助逆变器并且2个部分是可以单独控制的。SIBCOSM1300主控制器主要负责辅助
14、逆变器高层功能的实现。它通过MVB将信号发送至车辆控制单元(VCU)o另一部分的辅助逆变器内部通信是经由本地CAN总线实现的。2个主控系统均通过MVB相连。图5 辅助逆变器内部控制系统 （1列车控制；2辅助逆变器第一部分；3二进制输入和输出；4MVB；5CAN-BABE A15-K22；6主控制器A15-K21；7RS232 维护接口；8CAN；9控制模块PWMI T22；10控制模块 PWMI T21；11控制模块 BC T21；12辅助逆变器第二部分；13主控制器 A5-K1；14CAN-BABE A5-K2；15控制模块BC T3；16控制模块PWMI T1；17控制模块 PWMI T2
15、；18辅助逆变箱）。3.2 辅助逆变器的功能特点3.2.1 冗余运行 当辅助逆变器其中的一部分发生故障时，该部分会自动尝试着重新启动；若重复若干次后仍无法正常启动。则该部分会断开其输出接触器，同时APcxjnverter-on信号也被断开，从而冗余运行状态被激活。3.2.2辅助逆变器的紧急启动 在辅助逆变器单元中，有一个自带的永久性蓄电池，它能提供110 V的直流电压，当列车车载作蓄电池电压满足列车激活条件时这个自带的蓄电池是不需要使用的。当车载蓄电池电压低于85 v时，按下列车激活按钮无法正常激活列车时，通过操作自带蓄电池紧急启动按钮可以暂时为列车提供激活的电源。操作时应当保持自带蓄电池紧急
16、启动按钮在闭合位置有足够的时间（长按几秒），只有当辅助逆变器显示出载荷已经由永久性蓄电池供给并开始工作时才能（必要时可以甩掉一些不必要负载）确保永久性蓄电池的供电效果。 4 辅助逆变器的常见故障与故障原因分析4.1 辅助逆变器的故障表现有些地铁线路因为各种原因某一区段或是全线采用刚性触网受流，列车在运行当中就突然DDU（人机界面）显示动车辅助逆变器中级故障，列车无法正常运行2011年的上海地铁就发生过类似的列车故障；还有就是在柔性触网和刚性触网的过渡区段，辅助逆变器被突然隔离；高速通过岔区时高速断路器分断，合上之后还是无法正常驾驶；以上的这些情况到最后基本都是由于辅助逆变器不能工作导致高压箱的
17、通风机失去了AC380V的电源也无法正常散热，温度越来越高，列车自动的过温保护启动，牵引被封锁，列车动不了只能等待救援。4.2 辅助逆变器的故障原因分析4.2.1 受流不平稳而引起的故障 接触网受流分为两种：柔性触网和刚性触网，刚性触网的受流性能比不上柔性触网，受电弓在过刚性触网锚段的时候会产生跳弓，若此时列车正在进行电制动的话，网压大幅提高，而在跳弓的过程中辅助逆变器瞬间被加了大电压，DDU报辅助逆变器过压保护，过压模块开始工作，其余的电压被消耗电阻消耗掉电压恢复正常但是，在辅助逆变器被保护的时候，高压设备还是在正常运转，产生了大量的热冷却风机因为没有电源无法冷却，所以即便是恢复了正常电压最
18、后也因为过热而导致牵引封锁。 4.2.2 硬件（主接触器）故障 主接触器工作范围是2 000 V/1000 A的直流电磁接触器。一般来说，接触器故障主要是因为过电流导致的部件损坏，大概情况可分为以下3种：主触头的烧结，这主要发生在大电流状态下断开时，由于电弧造成的触头烧结，接触器无法断开；控制线圈的烧毁；控制线圈反并联二极管的击穿导致短路。 4.2.3 输入输出保护限制 辅助逆变器的最低工作电压大概在940V左右，如果在最低电压的状态下逆变器可以进行短时间的工作运行；但是其输入电流一旦大于250A的时候，逆变器会因为过流保护立即停止工作。5 车载蓄电池的简介及故障处理5.1 车载蓄电池的简介
19、地铁列车的底部有两个蓄电池安装箱，一个可以安装40个蓄电池单元，两个总共可以装80个，每个蓄电池单元的额定电压为1.2V，而这80个蓄电池单元是串联连接的所以车载蓄电池电压为96V。车载蓄电池有低电压保护，当每个蓄电池电压低于1.10V时，车载蓄电池将停止工作。车载蓄电池的输出的是DC110V，它的主要负载有（1）城轨车辆的驾驶室照明：驾驶室照明采用的是DC110V供电，有三盏“驾驶室灯”安装在驾驶室的顶棚上当天花板上，并装有按钮开关；还有一盏用于驾驶员阅读的阅读灯也是采用由车载蓄电池110V的直流电源。（2）车内设备柜照明：为了更好的解决车辆故障设备柜内的照明也是由车载蓄电池供电的，因为如果
20、当设备柜里的设备出现故障而影响到了正常的受电弓受流，那么由触网供电的照明就无法工作，故障也就解决不了，所以设备柜照明必须让车载蓄电池提供。（3）外部照明：外部照明起到运行照明、标识方向、标志运行状态的作用。外部照明包括前照灯（头等灯）、尾灯、运行灯、标志灯和列车号显示灯。外部照明非常的重要，它是列车状态是否正常、安全的一个最直接的表示，驾驶员通过它能得到很多关于车辆的信息，确保了行车的安全。5.2 车载蓄电池的故障处理城市轨道交通车辆的车载蓄电池通常采用镍镉碱性蓄电池，在车辆启动时受电弓落下，触网无法给车辆送电，所以首先得要让受电弓升起来，这个的动力就来源于车载蓄电池。如果受电弓升不起来，我们
21、首先就要去看看车载蓄电池的电压，当然也有其他的原因也会引起受电弓不能正常升弓但是这里主要讲是车载蓄电池的故障而引起的列车不能升弓，看到的电压过低，那就是蓄电池故障了，它本身的蓄电池低压保护动作了，封锁了蓄电池的输出电路，使其失去作用进而保护蓄电池不会损耗太多。镍镉碱性蓄电池并不是一次性的工作的，当损耗不是过多及时补救还是可以继续使用的，其本身的造价也还是蛮高的。车辆段里的临修作业大多是对西蓄电池进行补加KOH溶液。由于蓄电池在充电的过程中要大量的发热，电解液会有所蒸发，甚至发生电解液缺乏影响到车辆的正常启动。这样在检修过程中需要经常查看蓄电池内电解液的液面高度，如果液面有所下降，则需要及时的对
22、它补液，或者采取相应的维护措施。如果蓄电池严重缺液，那么蓄电池很有可能因此而报废，甚至是发生爆炸，造成严重的后果。5 结语在受流条件不是很好的线路列车要进行限速，对电动列车的驾驶员要求操作平稳严禁快速启动和快速制动。对列车车速和驾驶员的要求之外也必须对线路进行改善，多做测试，各个器件安装到位，如有异常应立即更换。地铁就是一个服务行业在确保乘客的安全之后再考虑设备。辅助回路名为辅助回路但是他的作用却是相当的强大，而且其组成元件具有很高的技术要求，我们国家用的辅助回路元件基本要靠进口，系统故障了也不能真正的解决。希望通过我们不断的学习、探索、研究之后，能够完全依靠我们自己的技术制造出元件很好的实现
23、辅助回路的作用。6 致谢大学三年已到尾声，感谢在学校里教育我的老师，帮助我的同学；感谢在上海培训并且给我资料的师傅们，我的这篇论文有很多的材料都是来自上海地铁曾经发生过的列车故障情况；最后感谢一下给我们带队的宁波地铁乘务组组长，为我们在那里的实习做了有效的沟通，给了我们极大的帮助。相信在不久的将来，我肯定会努力工作，好好表现，不光是为了自己还有我的父母的养育、长辈的期望、师长的关心以及我母校南京铁道职业技术学院，真心的感谢她！ 7参考文献 1陈国呈PW M变频调速及软开关电力变换技术M 北京：机械工业出版社，20012陶生桂.杜红武.胡 兵变流变频技术在电动车组中的应3余j虽AC OI02型电动列乍辅助逆变器及其故障的分析研究EJ城市轨道交通研究，2(111(1)：56
