CRH1A型动车组变流器中间直流环节电压不稳原因分析及处理措施
徐红洲
（上海车辆段杭州动车所， 浙江杭州310008）
摘要：为解决CRH1A型动车组变流器频繁隔离、关机的问题，从变流器工作原理及中间直流环节的控制机理入手，分析了CRH1A型动车组变流器中间直流环节电压不稳的原因，提出了解决措施，取得了较好的效果，有效地提高了动车组的运行品质。
关键词：CRH1动车组； 变流器； 中间直流环节； 电压不稳； 原因； 措施
中图分类号：U266.2；U292.91+4 文献标识码：B 文章编号：1000-128X(2009)05-0056-02
1 问题的提出
自CRH1型动车组在杭州动车组运用所运行以来，发生变流器故障39件，其中变流器中间直流环节电压不稳导致变流器关闭故障16件，因中间直流环节过压导致变流器隔离8件，因中间直流环节欠压导致变流器隔离或关闭8件，影响了动车组的正点运行和服务质量。因此很有必要从变流器工作原理及中间直流环节的控制机理入手，分析原因，提出相应的解决措施。
2 变流器工作原理
2.1 变流器工作过程
CRH1型动车组变流器为两重四象限电压型PWM变流器，采用脉宽调制（PWM）方式，使它对电网的污染程度降至最低，同时使功率因数大于0.98。如图1所示，牵引变压器的2个二次侧绕组接入变流器箱，通过充电接触器、充电电阻和牵引接触器触点引至网侧变流器（LCM）输入端，充电电阻与充电接触器串联后与牵引接触器触点并联，LCM启动时首先通过充电电阻接入电源，对中间直流环节充电，当中间直流环节电压充到一定值时，由LCM控制2个牵引接触器闭合，充电接触器断开。牵引（整流）工况下能量传递的总趋势是由电网向中间直流环节供电。两重四象限网侧变流器的2个全控桥并联向中间直流环节供电。该中间直流环节并接3路负载，通过2个牵引电机逆变器（MCM1、MCM2）将直流电转换成电压、频率可调的交流电供给牵引电机，还通过辅助变流器（ACM）转换成三相400 V交流电给动车组辅助设备供电。
图1 变流器工作原理图
牵引工况时PWM整流器工作在6种工作模式下：
①网压与网流同为正时的3种工作模式：网侧电感吸收网侧电网电能；网侧电网和电感向中间直流环节供电；网侧电网和中间直流环节给电感供电。
②网压与网流同为负时的3种工作模式：网侧电感吸收网侧电网电能；网侧电网和中间直流环节给电感供电；网侧电网和电感给中间直流环节供电。再生（逆变）工况下能量传递总趋势是由中间直流环节向电网反馈。
再生工况时PWM整流器工作在6种工作模式下：
①网压为正、网流为负时的3种工作模式：网侧电感给电网供电；中间直流环节给网侧电感、电网供电；网侧电感给网侧电网和中间直流环节供电。
②网压为负、网流为正时的3种工作模式：网侧电感给电网供电；网侧电感给网侧电网和中间直流环节供电；中间直流环节给网侧电感、电网供电。
2.2 变流器中间直流环节电压控制
1）变流器中间直流环节的组成及其作用中间直流环节电路由LCM(IGBT网侧变流器)的支撑电容器、放电电阻器、二次谐波滤波器和MCM（IGBT电机变流器）的支撑电容器、斩波器以及ACM（IGBT辅助变流器）的支撑电容器共同组成。斩波器与安装在电机变流器模块之外的过压电阻器相连。二次谐波滤波器包括4个电容器和1个串联的电感，电感电容的串联谐振频率与电源的二次谐振频率调成一致，用来滤除LCM输出的二次电流，减小中间直流环节电压纹波，从而减小牵引电动机的转矩脉动。变流器中间直流环节是能量变换中的一个重要环节，直接关系到变流器的控制。LCM、MCM、ACM 中的
支撑电容是一个能量缓冲器，可稳定中间直流环节电压，并包含足够的电容量以保证中间直流环节电压的波动维持在允许限度以内，使变流器得到准确控制。
2）中间直流环节电压基准及控制
IGBT若长期处于过电压状态，将会反向击穿。因此必须对中间直流环节的电压进行监控并对变流器采取保护性关闭或阻断措施，以防止损坏的进一步扩大。
在工作过程中，为提高功率半导体器件和其他元件的可靠性，尽量采用相对较低的中间直流环节电压。因此首先对挂在同一中间直流环节上的所有变流器（LCM、MCM、ACM）计算其最低的中间直流环节电压需求，然后VCU从中选出各中间直流环节电压计算值中的最高值作为中间直流环节电压参考基准值，在给定基准值后对中间直流环节电压进行自动调节。
3）中间直流环节过压保护
为确保中间直流环节电压的稳定，应监控中间直流环节电压。过压保护（OVP）可防止 MCM 受电压瞬变损害。通常情况下，中间直流环节出现过高电压时，激活过压斩波器，以此降低中间直流环节的电压瞬变。当中间直流环节电压被降低之后，OVP即随之失效（如图2所示）。如果中间直流环节电压仍然上升，超过最大中间直流环节电压水平，DCU/M(电机变流器驱动控制装置)、DCU/L（网侧变流器驱动控制装置）发出保护性关机指令。电压传感器测量中间直流环节电容器的电压，将关于中间直流环节电压的信息数据连续发送至DCU/M、DCU/L、DCU/A（辅助变流器驱动控制装置），DCU将此数据与设定值进行比较运算，测量值超过设定值时即触发保护性动作，变流器保护性关机。中间直流环节电压OVP开启等级为1 900 V；中间直流环节电压OVP关闭等级为1 840 V；MCM中间直流环节过压等级（保护性关机） 为1 950 V ；ACM中间直流环节过电压等级（保护性关机）为2 100 V；中间直流环节欠压保护在中间直流环节充电之后激活。如果中间直流环节电压在运行期间低于规定水平，下达保护性关机指令；MCM中间直流环节欠压等级（保护性阻断）为200 V；ACM中间直流环节欠电压等级（保护性阻塞）为800 V。
图2 过压斩波器工作范围
3 影响中间直流环节电压稳定的因素
3.1 导致中间直流环节过电压的因素
①中间直流环节上电压的测量故障。原因可能是电压测量传感器故障、控制电脑故障（DCU）或电缆传输故障。
②中间直流环节放电故障。原因为：分断接触器故障； MCM 过压斩波器的驱动单元、接线、斩波器相位上的IGBT和DCU故障；LCM 电压测量传感器、接线和DCU故障；DCU/M MVB通信故障。
3.2 导致中间直流环节欠电压的因素
①电压检测电路发生故障。原因可能是电压测量传感器故障、控制电脑故障（DCU）或电缆传输故障。
②中间直流环节充电故障。原因为：网侧电压丢失或MCB在充电时断开；充电/分断接触器故障；中间直流环节短路；PWM整流器某一桥臂损坏可能导致欠压故障的出现；主电路接触器损坏，使直流母线电压损耗在充电电阻上面有可能导致欠压。
4 解决直流电压不稳的措施
根据以上分析，结合 CRH1A动车组在杭州实际运行过程中发生的变流器中间直流环节电压不稳的具体原因，认为导致中间直流环节过电压、欠电压的主要原因为中间直流环节电压的测量值有误，主要解决措施如下：
①检查传感器和DCU之间的接线是否松动。
②激活列车，并检查所有变流器模块中中间直流环节的电压测量值是否正确。
③如果无法激活列车，则检查传感器在放电状态下的输出电压，电压值应为15~20 V。
④如果没有发现故障但是故障反复出现，则更换电压传感器。
⑤如果故障依然反复发生，则更换DCU控制板。其次，中间直流环节放电故障也是造成中间直流环节电压过压的原因之一，如2008年3月30日CRH1034A动车组M3车变流器因分断接触器故障导致中间直流环节放电故障，造成中间直流环节过压使网侧变流器（LCM）隔离。中间直流环节充电故障同样也是中间直流环节欠电压的原因之一，如2008年2月4日，CRH1033A动车组M1车因充电接触器故障导致充电失败，造成中间直流环节欠压使网侧变流器（LCM）隔离。
5 结语
变流器中间直流环节电压不稳会导致变流器隔离或关机，从而影响到动车组的运行速度和空调系统的运行品质，影响到动车组的正点运行和乘客舒适度。通过定期检查中间直流环节电路，及时更换劣化元器件，可有效防止此类故障的发生，提高动车组的运行品质。
参考文献：
［1］ 刘志刚. 电力电子学［M］. 北京：北方交通大学出版社,2005.
［2］ Fredrik Einarsen BST公司. 中国高速CRH1电机变流器软件设计规范［K］.青岛：Fredrik Einarsen BST公司，2007.
［3］ Fredrik Einarsen BST公司. 中国高速CRH1网侧变流器软件设计规范［K］. 青岛：Fredrik Einarsen BST公司，2007.
［4］ Mats Matsson BST公司. 中国高速CRH1辅助变流器软件设计规范［K］. 青岛：
