严星涛
中车永济电机有限公司 山西永济 044502
摘要：高速动车组运行速度高，运用工况复杂，在运用过程中也会出现控制算法失效导致的故障的发生。其中四象限过流和逆变过流是发生频率较高的两种故障，分析过流的故障的原因，提高控制算法的精度和性能，是提高动车组运行可靠性的保证。
关键词：动车组，牵引系统，过流故障
1高速动车组牵引系统组成
1.1 牵引系统组成
高速动车组牵引系统由牵引变压器、牵引变流器、辅助变流器、牵引电机构成。通过以太网和TCN标准列车网络对各个动力单元进行管理和控制，实现动车组列车的牵引和调速。
受电弓从25kV的接触网获得电能，通过牵引变压器降压后供给四象限变流器，四象限变流器将牵引变压器二次侧单相交流电转变成系统要求的直流电，通过控制使牵引变流器网侧功率因数接近1。中间直流环节的直流电通过牵引逆变器，在牵引控制单元的控制下向牵引电动机提供电压、频率可以调节的电源，实现动车组的牵引制动和速度调节。辅助变流器由牵引变流器中间直流回路供电，将直流电压变换为3AC 380V/50Hz电压，辅助变流器输出并网运行，为辅助负载提供电源。
1.2牵引变流器
以时速250公里“复兴号”中国标准动车组为例，采用牵引辅助一体的变流器设计，主电路拓扑如下图2所示：
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四象限脉冲整流器：由2个相同的四象限功率模块并联组成，给牵引逆变器和辅助变流器供电。
三相逆变器：由2个相同的逆变功率+斩波模块并联组成，给4台异步牵引电机供电，同时实现斩波功能。
过电压限制电阻：集成在牵引变流器箱体内部，当牵引变流器中间环节电压超过规定限值时，限压斩波器通过过电压限制电阻实施电压限制，将过电压通过电阻泄放。
中间直流环节：牵引辅助变流器中间直流电路由储能电路、测量及保护电路构成。储能环节由中间支撑电容器组成，主要作用是稳定中间回路电压，向牵引电机提供无功功率，同时可对四象限脉冲整流器和电机逆变器产生的高次谐波进行滤波。
二次滤波回路：作为一个串联谐振电路工作，其谐振频率为基波频率的两倍，用来滤除中间直流回路中两倍于输入电压频率的能量流产生的纹波。其结构由谐振电容器和电感器组成，集成在牵引辅助变流器内部。
辅助变流器：从中间直流回路取电，经过逆变、滤波、降压后为辅助负载供电。
2过流保护功能介绍
高速动车组工作在高速、复杂的环境中，对于可靠性的要求极高，因此动车组牵引系统设置了完善的保护功能。其中过流保护是应对复杂弓网关系、轮轨关系而定制的保护策略，是在弓网电压发生突然变化、负载突变情况下通过封锁功率模块脉冲的方式对变流器内元件进行保护。牵引系统的过流保护主要有四象限过流和逆变器过流两种情况，
2.1四象限过流故障保护
四象限过流通常发生在网压跳变、受电弓跳弓、通过分相区等弓网电压发生变化的时刻。四象限锅里保护是通过检测四象限输入电流的瞬时值进行保护，当瞬时值超过保护阈值的情况下，对四象限和逆变的脉冲进行封锁。当检测到输入电流小于一定数值，则故障自动复位，牵引系统恢复正常工作，过程中不需要司机进行复位操作。若短时间内多次发生输入过流保护动作，为保护牵引变流器元件，通常采取封锁发生故障的四象限模块的方式，禁止该功率模块工作，需要司机进行确认后手动复位。
2.2逆变过流故障保护
逆变过流通常发生在空转滑行、负载突投突切、中间电压变化等情况下，逆变器算法对牵引电机转矩的调节不够及时。逆变器输出过流通过检测单相输出电流的瞬时值进行保护，以U相为例，当电流瞬时值大于保护阈值，则对逆变器脉冲进行封锁，牵引电机转矩为零，单次故障通常为自动复位故障，多次故障则封锁逆变器，禁止逆变器工作，需要司机确认后进行手动复位。
3. 过流故障案例分析
本文通过动车组实际运用过程中发生的四象限过流故障和逆变过流故障典型案例进行分析，对过流故障触发的原因和保护原理进行说明。
3.1四象限数据初步分析
四象限过流的主要是因为在网压突变时，对弓网相位的锁相功能调整不够及时，导致发生四象限控制失效，继而电流超过保护阈值而触发过流保护。本文选取三种典型的相位控制失效的情况进行说明。
第一种：四象限过流故障时，网压幅值由18.38kv突升至27.4kv，同时网压相位发生明显的变化，因此此种故障为网压幅值和相位的突变造成。
第二种：四象限正常运行时，输入电流（四象限1电流和四象限2电流）为正弦波，并且输入电流相位与电网相位保持一致；故障前四象限输入电流的相位与电网相位差90°，并且四象限1电流和四象限2电流已经不是典型的正弦波，并且四象限1电流和四象限2电流在最高点和最低点有明显的尖峰，这说明四象限输入电流已经发生了明显畸变，最终导致过流故障的发生。
第三种：四象限在发脉冲启动时过流，通过电流波形可以看出，电流相位与电网相位有较大差异，并且在此之前四象限已经由于相位异常导致了过流故障的发生，当四象限重新启动时，锁相环相位并没有重启，因此四象限锁相环锁定相位和实际电网的相位不一致，从而导致四象限一发脉冲就会过流故障。
正常情况下四象限输入电流与电网电压相位一致，并且输入电流为正弦波，但是在以上三种过流故障中，四象限输入电流为相位与电网相位有明显的偏差。
3.2逆变过流故障案例分析
该故障案例发生在动车组在高速运行过程中，当牵引变流器停机后进行复位启动，在四象限重新启动后司机手柄迅速推到牵引最大级位，可以看到在发生故障时刻母线电压发生剧烈波动。通过内部数据可知，当带速重投时，由于电压波动过大，励磁电流无法及时调整，导致电机过流。
动车组在高速运行过程中，进行带速重投时，导致中间直流电压发生波动，内部及外部参数变化过大，转矩发生强烈的波动，由于牵引控制算法对电流的调节不够及时，倒是电流超过过流保护阈值，进而触发了逆变输出过流故障。
5. 总结
牵引变流器是动车组的关键部件，其发生任何故障，都关系到整个动车组的运行安全。上述分析了对牵引变流器故障的排查和分析过程，可为类似问题提供参考。通过对牵引变流器故障进行总结整理、分析，可以时刻保障牵引变流器的良好状态，从而保证动车组的安全性、稳定性。
参考文献：
[1]地铁车辆牵引电气技术及故障简析[J].李庆阳.城市建设理论研究(电子版). 2017(12)