畢業(yè)設計-- 城軌車輛輔助逆變器及車載蓄電池常見故障分析

1、<p>　　畢 業(yè) 論 文</p><p>　　題 目： 城軌車輛輔助逆變器及車載蓄電池常見故障分析 </p><p>　　作 者： 學 號： </p><p>　　二級學院： 動力工程學院 </p><p>　　系

2、 ： 鐵道機車車輛 </p><p>　　專 業(yè)： 鐵道機車車輛 </p><p>　　班 級： </p><p>　　指導者：

3、 </p><p>　　評閱者： </p><p>　　2013 年 3 月 </p><p>　　畢業(yè)設計（論文）中文摘要</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b&g

4、t;　　1 引言1</b></p><p>　　2 地鐵電動列車輔助逆變系統(tǒng)概述1</p><p>　　2.1 輔助逆變系統(tǒng)的組成1</p><p>　　2.2 輔助逆變器模塊的結(jié)構(gòu)組成及其特點1</p><p>　　3 輔助逆變器內(nèi)部控制與功能特點5</p><p>　　3.1 輔助逆

5、變器的內(nèi)部控制5</p><p>　　3.2 輔助逆變器的功能特點7</p><p>　　4 輔助逆變器的常見故障與故障原因分析7</p><p>　　4.1 輔助逆變器的故障表現(xiàn)7</p><p>　　4.2 輔助逆變器的故障原因分析7</p><p>　　5 車載蓄電池的簡介及故障處理8</

6、p><p>　　5.1 車載蓄電池的簡介8</p><p>　　5.2 車載蓄電池的故障處理8</p><p><b>　　5 結(jié)語10</b></p><p><b>　　6 致謝11</b></p><p>　　7 參考文獻...................

7、.........................................12</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　城市軌道交通具有運能大、能耗低、污染少、速度快、安全準點等優(yōu)點，隨著社會改革開放的深入、國民經(jīng)濟的發(fā)展以及城鎮(zhèn)化的演變，城市的路面交通的壓力越來越大，環(huán)境的污染也越來越嚴重，故而城軌交通深受人民群眾的歡迎同時也是城

8、市軌道交通的快速建設期。</p><p>　　城軌列車是城市軌道交通的運輸工具也是城軌交通的重要載體，在正線運營中要確保城軌列車的正常工作，行車目的就是將乘客安全、快速、舒適的運送到目的地。然而輔助供電系統(tǒng)是實現(xiàn)列車控制的重要系統(tǒng)，它為除去牽引電機以外的所有車載設備供電，其中單單涉及為乘客提高舒適性和方便的就有：通風機、電加熱器、客室照明、乘客導乘信息系統(tǒng)、客室空調(diào)通風系統(tǒng)等。</p><p&

9、gt;　　2 地鐵電動列車輔助逆變系統(tǒng)概述</p><p>　　現(xiàn)在的地鐵列車一般在每節(jié)車廂都安裝輔助逆變器，就以上海地鐵的AC01型電動列車為例。</p><p>　　2.1 輔助逆變系統(tǒng)的組成</p><p>　　輔助逆變系統(tǒng)的組成如下圖1所示，從左往右其組成部分為：輸入的電流和電壓檢測模塊、直流側(cè)電容模塊、放電電阻模塊、過電壓保護模塊、輔助逆變器模塊以及最

10、后的輸出電流檢測模塊。大致上輔助逆變系統(tǒng)是由這6個部分組成的，其中最主要的工作元件是輔助逆變器模塊，它由6個可關斷的開關管和6個可續(xù)流的二極管組成；過壓保護模塊有一個全控型開關管、兩個二極管和四個電阻構(gòu)成；其余幾個模塊的組成就較為簡單的多了，但這不代表他們的作用不大。</p><p>　　2.2 輔助逆變器模塊的結(jié)構(gòu)組成及其特點</p><p>　　上海地鐵的AC01／02型地鐵車輛自從

11、引進到現(xiàn)在已經(jīng)運營了10幾年了，它的輔助電源系統(tǒng)采用分散供電方式，就是說每一節(jié)列車都有一臺輔助逆變器。輔助逆變器為模塊化結(jié)構(gòu)，大體上有14個模塊。由于其中關鍵模塊是采用的IPM(智能功率模塊)器件，因此也被叫做IPM輔助逆變器。AC01／02型電動列車的（A車）拖車與（B、C車）動車，其輔助逆變器因為要實現(xiàn)的功能不同所以在構(gòu)造上也有所不同。動車的輔助逆變器是容量為90 kVA的普通的二電平三相逆變器模塊。它的前級是雙重的升壓</p

12、><p>　　穩(wěn)壓斬波器模塊。這兩種模塊也都是采用了IPM器件。</p><p>　　圖1輔助逆變系統(tǒng)的組成</p><p>　　從圖2中我們可以看出，它們的A11、A12這兩個模塊的電路與結(jié)構(gòu)是相同的，都是帶高頻的變壓器隔離的諧振式DC／DC變換器；它的輸入側(cè)兩個的電容為串聯(lián)分壓，輸出側(cè)為直流并聯(lián)輸出。這種連接方式可以使得其輸入處的兩個串聯(lián)電容具有自動均壓的作用。拖車

13、的輔助逆變器中用的IPM 器件有300A／1 200 V，600 A／1 200 V 和75～ 1 200 V，400 A／600 V等規(guī)格。其外形的尺寸比較大加上驅(qū)動的接口比較特別，所以與通用型的IGBT模塊是不能兼容的。其中拖車的輔助逆變器模塊中IPM器件的總體的故障概率比較大，大概占了所有故障的45％左右，運行到后來可以達到69％，甚至到A車輔助逆變器模塊幾乎無備品備件的地步。并且這些類型的IPM器件是由日本三菱公司獨家生產(chǎn)的，其

14、中有些型號的產(chǎn)品(如規(guī)格為75 A／1 200 V的IPM 器件)都快要停產(chǎn)了，其預備器件不能得到保證?？紤]到IPM 器件的備件不能保證、故障率高等不利因素，研究人員對其故障進行了深入的分析與探索，用以在日后的發(fā)展中采取相應的對策；同時也考慮到采用通用型的IGBT器件進行國產(chǎn)化替代研制，以作好技術上的儲備。</p><p>　　從圖2中的逆變器模塊中，我們看它的電路元件是由6個全控型的開關管，這些開關管可以是：G

15、TO、GTR、IGBT等等，還有6個續(xù)流二極管。每個開關管的驅(qū)動信號</p><p>　　圖2 拖車輔助逆變器</p><p>　　持續(xù)180°或120°，同一相上下的開關管是交替道通的，所以在任何時候都會有3個開關管導通。在一個周期內(nèi)，6個管子觸發(fā)導通的次序為VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6, 依次相隔60°，導通開關的組合順序為：VT1-VT

16、2-VT3 VT2-VT3-VT4 VT3-VT4-VT5 VT4-VT5-VT6 VT5-VT6-VT1 VT6-VT1-VT2,每一種組合工作60°電角度。工作的原理基本上就是這樣，主要的還是元件上的技術制造、技術鏈接上的問題</p><p>　　工作特點有:直流側(cè)接有大電容，就相當于是一個電壓源，所以直流

17、電壓基本上是沒有波動的，直流回路呈現(xiàn)的阻抗比較低等特點。</p><p>　　2.3 拖車輔助逆變器分析</p><p>　　拖車的輔助逆變器中的關鍵部件是三相四線逆變器，和升壓穩(wěn)壓斬波器一起構(gòu)成了A14.1模塊（如圖3所示）。將輸入電感L2和輸出電感L3及濾波電容模塊A15添入，即為圖3所示的用于分析的完整電路單元。此電路由兩部分組成：第一部分為升壓穩(wěn)壓斬波器，其輸人為A11、A12模

18、塊輸出的可變DC 300~600 V電壓(這是跟隨網(wǎng)壓而變化的)，輸出為穩(wěn)定的DC 650 V電壓；第二部分為三相四線逆變器，其中線的構(gòu)成方案較多。</p><p>　　這里，中線采用是圖3所示的方式，接有電容和電感組成的濾波器，通過上、下管的交替通斷來形成中線，以獲得50 Hz 380 v／220 V的三相四線交流電壓。圖3中的升壓穩(wěn)壓斬波器的結(jié)構(gòu)和控制相同于通常的升壓斬波器，對于接有輸出濾波器的三相逆變器，必

19、須注意濾波器的參數(shù)與逆變器開關脈沖頻率之間的關系以及其對逆變器性能的重要影響。</p><p>　　從圖4中看到，濾波電容模塊中各個電容的值為76 F；三相濾波電感每一相電感值為0.2mH，中線相電感值為0.75 mH；三相濾波器的諧振頻率為1.15 kHz。對于三相四線逆變器來說，逆變器的開關脈沖頻率為6kHz，逆變器的輸入電壓是在調(diào)整后的才是穩(wěn)定的DC 650 V。通過MATLAB仿真分析可以得出，為使逆變器

20、的輸出波形好就是盡量的接近正弦波，開關脈沖的頻率要高些比較好，并且濾波器的參數(shù)要合適。即濾波器的諧振頻率要遠大于輸出的基波頻率，但又要明顯的小于開關脈沖頻率。</p><p>　　在這個例子里面是前者20余倍，后者約五分之一。參數(shù)為上述的正常值時，逆變器的仿真波形如圖4所示。</p><p>　　從圖4中我們還可以看出，當逆變器正常工作的時候，它的輸出的電流、電壓波形如 (圖(a)和(c)

21、)所示，接近于正弦波；逆變器的中線相的輸出電流在對稱的情況下是非常小的。當逆變器的輸出參數(shù)變化不正常時(如電感50 H、電容2／zF)的仿真波形，其濾波器的諧振頻率約為16 kHz。由于開關脈沖頻率為6 kHz，經(jīng)傅氏展開后有16 kHz左右的高次諧波存在，則在此附近會引起諧振而導致電感電流和輸出電壓產(chǎn)生過流與過壓的現(xiàn)象，嚴重時甚至將會引起電感過熱性能下降或者是管子直接燒毀；圖4（d）所示中線相的電流值比參數(shù)正常時要大了些，但是由于其三

22、相還是對稱，因此它還是比較小的。當濾波器參數(shù)變化，使其諧振頻率等于6 kHz時，而開關頻率也為6 kHz，就會產(chǎn)生諧振。諧振時會引起很高的電流與電壓(達6 000 A、20 000 V)應力，在高電流和高電壓的影響下，如果這個逆變器的過流過壓保護的及時的話，逆變器停止工作，這是最理想的結(jié)果但是往往最理想?yún)s很少發(fā)生，所以在這種情況下，這個逆變器基本毀壞，直接報廢。由此可見這種情況是非常危害的同樣也是絕對不允許發(fā)生的。當然現(xiàn)在的技術是可以避

23、免掉這種情況，但是不代表它</p><p>　　3 輔助逆變器內(nèi)部控制與功能特點</p><p>　　3.1 輔助逆變器的內(nèi)部控制</p><p>　　輔助逆變器內(nèi)部控制系統(tǒng)主要由SIBCOs—M1300主控制器、SMCOS．M9000 CAN節(jié)點以及SIBCOS—M2000模塊控制器構(gòu)成。M1300是輔助逆變器的高層控制系統(tǒng)， M9000則屬于雙位輸入輸出的子控

24、制系統(tǒng)，M2000是集成在蓄電池充電機或者PMMI中的控制模塊。一些二位輸入輸出的控制信號可以通過列車硬線與M9000和 M1300實現(xiàn)傳輸，M1300與VCU、M1300與M1300之間通過車輛多功能總線(MVB)傳輸信號， M1300與M9000、M1300與M2000、M9000與M2000之間則可以通過CAN總線通信。輔助逆變器的設計是一個雙輔助逆變器并且2個部分是可以單獨控制的。SIBCOS—M1300主控制器主要負責輔助逆變

25、器高層功能的實現(xiàn)。它通過MVB將信號發(fā)送至車輛控制單元(VCU)o另一部分的輔助逆變器內(nèi)部通信是經(jīng)由本地CAN總線實現(xiàn)的。2個主控系統(tǒng)均通過MVB相連。</p><p>　　圖5 輔助逆變器內(nèi)部控制系統(tǒng)</p><p>　　（1——列車控制；2——輔助逆變器第一部分；3——二進制輸入和輸出；4——MVB；5——CAN-BABE A15-K22；6——主控制器A15-K21；7——RS23

26、2 維護接口；8——CAN；9——控制模塊PWMI T22；10——控制模塊 PWMI T21；11——控制模塊 BC T21；12——輔助逆變器第二部分；13——主控制器 A5-K1；14——CAN-BABE A5-K2；15——控制模塊BC T3；16——控制模塊PWMI T1；17——控制模塊 PWMI T2；18——輔助逆變箱）。</p><p>　　3.2 輔助逆變器的功能特點</p>

27、<p>　　3.2.1 冗余運行</p><p>　　當輔助逆變器其中的一部分發(fā)生故障時，該部分會自動嘗試著重新啟動；若重復若干次后仍無法正常啟動。則該部分會斷開其輸出接觸器，同時APcxjnverter-on信號也被斷開，從而冗余運行狀態(tài)被激活。</p><p>　　3.2.2輔助逆變器的緊急啟動</p><p>　　在輔助逆變器單元中，有一個自帶的永久

28、性蓄電池，它能提供110 V的直流電壓，當列車車載作蓄電池電壓滿足列車激活條件時這個自帶的蓄電池是不需要使用的。當車載蓄電池電壓低于85 v時，按下列車激活按鈕無法正常激活列車時，通過操作自帶蓄電池緊急啟動按鈕可以暫時為列車提供激活的電源。操作時應當保持自帶蓄電池緊急啟動按鈕在閉合位置有足夠的時間（長按幾秒），只有當輔助逆變器顯示出載荷已經(jīng)由永久性蓄電池供給并開始工作時才能（必要時可以甩掉一些不必要負載）確保永久性蓄電池的供電效果。&l

29、t;/p><p>　　4 輔助逆變器的常見故障與故障原因分析</p><p>　　4.1 輔助逆變器的故障表現(xiàn)</p><p>　　有些地鐵線路因為各種原因某一區(qū)段或是全線采用剛性觸網(wǎng)受流，列車在運行當中就突然DDU（人機界面）顯示動車輔助逆變器中級故障，列車無法正常運行2011年的上海地鐵就發(fā)生過類似的列車故障；還有就是在柔性觸網(wǎng)和剛性觸網(wǎng)的過渡區(qū)段，輔助逆變器被突

30、然隔離；高速通過岔區(qū)時高速斷路器分斷，合上之后還是無法正常駕駛；以上的這些情況到最后基本都是由于輔助逆變器不能工作導致高壓箱的通風機失去了AC380V的電源也無法正常散熱，溫度越來越高，列車自動的過溫保護啟動，牽引被封鎖，列車動不了只能等待救援。</p><p>　　4.2 輔助逆變器的故障原因分析</p><p>　　4.2.1 受流不平穩(wěn)而引起的故障</p><

31、p>　　接觸網(wǎng)受流分為兩種：柔性觸網(wǎng)和剛性觸網(wǎng)，剛性觸網(wǎng)的受流性能比不上柔性觸網(wǎng)，受電弓在過剛性觸網(wǎng)錨段的時候會產(chǎn)生跳弓，若此時列車正在進行電制動的話，網(wǎng)壓大幅提高，而在跳弓的過程中輔助逆變器瞬間被加了大電壓，DDU報輔助逆變器過壓保護，過壓模塊開始工作，其余的電壓被消耗電阻消耗掉電壓恢復正常但是，在輔助逆變器被保護的時候，高壓設備還是在正常運轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了大量的熱冷卻風機因為沒有電源無法冷卻，所以即便是恢復了正常電壓最后也因為過熱而

32、導致牽引封鎖。</p><p>　　4.2.2 硬件（主接觸器）故障</p><p>　　主接觸器工作范圍是2 000 V/1000 A的直流電磁接觸器。一般來說，接觸器故障主要是因為過電流導致的部件損壞，大概情況可分為以下3種：①主觸頭的燒結(jié)，這主要發(fā)生在大電流狀態(tài)下斷開時，由于電弧造成的觸頭燒結(jié)，接觸器無法斷開；②控制線圈的燒毀；③控制線圈反并聯(lián)二極管的擊穿導致短路。</p&g

33、t;<p>　　4.2.3 輸入輸出保護限制 </p><p>　　輔助逆變器的最低工作電壓大概在940V左右，如果在最低電壓的狀態(tài)下逆變器可以進行短時間的工作運行；但是其輸入電流一旦大于250A的時候，逆變器會因為過流保護立即停止工作。</p><p>　　5 車載蓄電池的簡介及故障處理</p><p>　　5.1 車載蓄電池的簡介</p&g

34、t;<p>　　地鐵列車的底部有兩個蓄電池安裝箱，一個可以安裝40個蓄電池單元，兩個總共可以裝80個，每個蓄電池單元的額定電壓為1.2V，而這80個蓄電池單元是串聯(lián)連接的所以車載蓄電池電壓為96V。車載蓄電池有低電壓保護，當每個蓄電池電壓低于1.10V時，車載蓄電池將停止工作。</p><p>　　車載蓄電池的輸出的是DC110V，它的主要負載有（1）城軌車輛的駕駛室照明：駕駛室照明采用的是DC11

35、0V供電，有三盞“駕駛室燈”安裝在駕駛室的頂棚上當天花板上，并裝有按鈕開關；還有一盞用于駕駛員閱讀的閱讀燈也是采用由車載蓄電池110V的直流電源。（2）車內(nèi)設備柜照明：為了更好的解決車輛故障設備柜內(nèi)的照明也是由車載蓄電池供電的，因為如果當設備柜里的設備出現(xiàn)故障而影響到了正常的受電弓受流，那么由觸網(wǎng)供電的照明就無法工作，故障也就解決不了，所以設備柜照明必須讓車載蓄電池提供。（3）外部照明：外部照明起到運行照明、標識方向、標志運行狀態(tài)的作用

36、。外部照明包括前照燈（頭等燈）、尾燈、運行燈、標志燈和列車號顯示燈。外部照明非常的重要，它是列車狀態(tài)是否正常、安全的一個最直接的表示，駕駛員通過它能得到很多關于車輛的信息，確保了行車的安全。</p><p>　　5.2 車載蓄電池的故障處理</p><p>　　城市軌道交通車輛的車載蓄電池通常采用鎳鎘堿性蓄電池，在車輛啟動時受電弓落下，觸網(wǎng)無法給車輛送電，所以首先得要讓受電弓升起來，這個的

37、動力就來源于車載蓄電池。如果受電弓升不起來，我們首先就要去看看車載蓄電池的電壓，當然也有其他的原因也會引起受電弓不能正常升弓但是這里主要講是車載蓄電池的故障而引起的列車不能升弓，看到的電壓過低，那就是蓄電池故障了，它本身的蓄電池低壓保護動作了，封鎖了蓄電池的輸出電路，使其失去作用進而保護蓄電池不會損耗太多。鎳鎘堿性蓄電池并不是一次性的工作的，當損耗不是過多及時補救還是可以繼續(xù)使用的，其本身的造價也還是蠻高的。車輛段里的臨修作業(yè)大多是對西

38、蓄電池進行補加KOH溶液。由于蓄電池在充電的過程中要大量的發(fā)熱，電解液會有所蒸發(fā)，甚至發(fā)生電解液缺乏影響到車輛的正常啟動。這樣在檢修過程中需要經(jīng)常查看蓄電池內(nèi)電解液的液面高度，如果液面有所下降，則需要及時的對它補液，或者采取相應的維護措施。如果蓄電池嚴重缺液，那么蓄電池很有可能因此而報廢，甚至是發(fā)生爆炸，造成嚴重的后果。</p><p><b>　　5 結(jié)語</b></p>

39、<p>　　在受流條件不是很好的線路列車要進行限速，對電動列車的駕駛員要求操作平穩(wěn)嚴禁快速啟動和快速制動。對列車車速和駕駛員的要求之外也必須對線路進行改善，多做測試，各個器件安裝到位，如有異常應立即更換。地鐵就是一個服務行業(yè)在確保乘客的安全之后再考慮設備。輔助回路名為輔助回路但是他的作用卻是相當?shù)膹姶?，而且其組成元件具有很高的技術要求，我們國家用的輔助回路元件基本要靠進口，系統(tǒng)故障了也不能真正的解決。希望通過我們不斷的學習、探

40、索、研究之后，能夠完全依靠我們自己的技術制造出元件很好的實現(xiàn)輔助回路的作用。</p><p><b>　　6 致謝</b></p><p>　　大學三年已到尾聲，感謝在學校里教育我的老師，幫助我的同學；感謝在上海培訓并且給我資料的師傅們，我的這篇論文有很多的材料都是來自上海地鐵曾經(jīng)發(fā)生過的列車故障情況；最后感謝一下給我們帶隊的寧波**，為我們在那里的實習做了有效的溝

41、通，給了我們極大的幫助。相信在不久的將來，我肯定會努力工作，好好表現(xiàn)，不光是為了自己還有我的父母的養(yǎng)育、長輩的期望、師長的關心以及我</p><p>　　母?！?*學院，真心的感謝她！ 7參考文獻</p><p>　?。?］陳國呈．PW M變頻調(diào)速及軟開關電力變換技術[M ]．北京：機械工業(yè)出版社，2001</p><p>　?。?］陶生桂.杜紅武.胡