城轨车辆辅助逆变器及车载蓄电池常见故障分析毕业论文

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

毕业设计（论文）中文摘要

目录

1 引言 (1)

2 地铁电动列车辅助逆变系统概述 (1)

2.1 辅助逆变系统的组成 (1)

2.2 辅助逆变器模块的结构组成及其特点 (1)

3 辅助逆变器内部控制与功能特点 (5)

3.1 辅助逆变器的内部控制 (5)

3.2 辅助逆变器的功能特点 (7)

4 辅助逆变器的常见故障与故障原因分析 (7)

4.1 辅助逆变器的故障表现 (7)

4.2 辅助逆变器的故障原因分析 (7)

5 车载蓄电池的简介及故障处理 (8)

5.1 车载蓄电池的简介 (8)

5.2 车载蓄电池的故障处理 (8)

5 结语 (10)

6 致谢 (11)

7 参考文献 (12)

1 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AC01／02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。AC01／02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DC／DC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300A／1 200 V，600 A／1 200 V 和75～ 1 200 V，400 A／600 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 A／1 200 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 300~600V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 v／220 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，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。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2／zF)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。