(新譽(yù)龐巴迪牽引系統(tǒng)有限公司，江蘇 常州 213166)

0 引言

隨著城市軌道交通行業(yè)地鐵車輛技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的變頻空調(diào)被應(yīng)用到車輛中。變頻空調(diào)可以減小地鐵車輛的能耗，提高乘客舒適度。但是，變頻空調(diào)的6脈沖整流電路產(chǎn)生的諧波也會(huì)對(duì)車輛中壓母線電源質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵項(xiàng)目輔助變流器濾波單元中的三相濾波電容發(fā)生嚴(yán)重?zé)龘p的故障，結(jié)合理論與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，調(diào)查變頻空調(diào)產(chǎn)生的諧波對(duì)濾波電容的影響，分析其影響機(jī)制及影響程度，以供使用車載變頻空調(diào)的地鐵項(xiàng)目參考。

1 輔助變流器濾波單元系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)某城市地鐵1號(hào)線車輛輔助變流器及濾波單元如圖1原理圖所示：濾波單元集成了電抗器的三相變壓器單元、三相濾波電容器和三相電抗器等部件。

圖1 輔助變流器濾波單元電氣原理圖

受電弓下來(lái)的1 500 V直流電源經(jīng)過(guò)變流器單元和變壓器逆變?yōu)?80 V/50 Hz的三相交流電，通過(guò)三相濾波電容器及電抗器組成的LCL濾波器進(jìn)行濾波，為車輛輔助負(fù)載設(shè)備包括冷卻風(fēng)機(jī)、車載空調(diào)機(jī)組HVAC、制動(dòng)系統(tǒng)空壓機(jī)、充電機(jī)等供電。車載空調(diào)機(jī)組為變頻空調(diào)，通過(guò)6脈沖整流模塊將380 V電壓整流為直流電壓，然后通過(guò)逆變器形成變壓變頻交流電源驅(qū)動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)。

三相濾波電容器設(shè)計(jì)的目的是濾除變流器輸出的高次諧波，降低輸出三相電壓的畸波率。另外，除了作為濾波器的功能之外，三相電容器還可以為車輛感性負(fù)載消耗的無(wú)功功率提供無(wú)功功率補(bǔ)償。三相電容額定容值3×550 μF±5%，額定電壓400 V，峰值電壓620 V，額定線電流160 A。三相電抗器額定電抗3×18 μH，額定電壓400 V，額定電流370 A。三相變壓器內(nèi)置的電抗器電抗為3×500 μH。

2 諧波的產(chǎn)生與危害

理想的交流電壓和電流波形應(yīng)該是單一頻率的正弦波，而實(shí)際的供電系統(tǒng)中由于負(fù)載的非線性會(huì)使電壓和電流產(chǎn)生畸變而偏離正弦，出現(xiàn)各種諧波分量。

圖2 三相濾波單元等效電路

如圖2濾波單元的等效電路。AC為變流器輸出電源，為集成在變壓器單元的三相電抗器，為三相濾波電容，為三相電抗器，為負(fù)載(變頻空調(diào))產(chǎn)生的高次諧波電源。在單獨(dú)考慮負(fù)載側(cè)諧波分量Uh影響的情況下，可忽略對(duì)諧波電流的影響。由等效電路可見，諧波電流Ih在經(jīng)過(guò)電抗器的抑制作用后，全部經(jīng)過(guò)電容流通。在更惡劣的情況下，諧波頻次如果處于電感和電抗組成的LC諧振頻率帶，會(huì)產(chǎn)生更大的諧波電流。

另外，諧波電壓會(huì)導(dǎo)致電容器運(yùn)行電壓有效值和峰值增大，直接降低濾波單元設(shè)備的設(shè)計(jì)余量。嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致電容器絕緣受損，引起局部放電，影響濾波電容壽命。

針對(duì)諧波排放，國(guó)內(nèi)外都有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如IEC61000-3-12-2011對(duì)用電設(shè)備諧波電流排放的要求如圖3，要求諧波電流排放允許值≤22%；鐵路應(yīng)用行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)EN50121-3-2-2015 規(guī)定三相交流母線電壓公共端口電源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，要求諧波電壓含量<8%，TB/T3411-2015要求輸出諧波電壓含量≤10%。

3 故障調(diào)查數(shù)據(jù)采集分析

3.1 三相濾波電容器側(cè)數(shù)據(jù)采集

使用德維創(chuàng)作為數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，使用3組電壓傳感器和3組電流傳感器作為采樣系統(tǒng)，通過(guò)德維創(chuàng)對(duì)采集的電壓電流信號(hào)進(jìn)行示波顯示和FFT傅里葉級(jí)數(shù)的諧波分析，可清晰地顯示各次諧波含量。

為了調(diào)查變頻空調(diào)對(duì)流經(jīng)三相濾波電容的電壓電流的影響，選取電容側(cè)進(jìn)行電壓電流采樣。

3.1.1 試驗(yàn)工況：開啟輔助變流器，關(guān)閉空調(diào)

對(duì)采集的三相電壓電流進(jìn)行FFT分析，如圖3所示。

從數(shù)據(jù)分析看，關(guān)閉空調(diào)的情況下，電容側(cè)電壓接近正弦波。電壓諧波含量為3.87%。

圖4計(jì)算各次電流諧波含量如表1所示。

圖3 電容電壓諧波分析

圖4 電容電流諧波分析

表1 各次諧波電流含量

通過(guò)各次諧波計(jì)算流過(guò)電容的總的電流諧波含量為23%。

輔助變流器的IGBT開關(guān)頻率設(shè)計(jì)為1 350 Hz，在IGBT開關(guān)頻率帶附近會(huì)有較大的諧波含量。所以在空調(diào)關(guān)閉的情況下，會(huì)在23次、25次、29次和31次頻率帶有較大的諧波電流。設(shè)置三相濾波器的目的就是為了濾除這些頻率帶的諧波，以減小變流器輸出到車輛母線電源的畸變率。

空調(diào)關(guān)閉后，實(shí)測(cè)三相線電流為120 A。按380 V交流正弦系統(tǒng)計(jì)算，額定容值550 μF的三相電容工作電流應(yīng)為113.6 A。電容的設(shè)計(jì)額定電流為160 A，設(shè)計(jì)余量為35%。

3.1.2 試驗(yàn)工況：開啟輔助變流器，開啟空調(diào)全功率運(yùn)行

對(duì)采集的電容側(cè)三相電壓，進(jìn)行FFT分析如圖5所示。

空調(diào)開啟后，電容端的電壓諧波含量明顯上升。計(jì)算電壓諧波含量為8.3%。

對(duì)電流進(jìn)行諧波分析，如圖6所示。

圖5 開啟空調(diào)電壓諧波分析

圖6開啟空調(diào)電流諧波分析

計(jì)算各次諧波含量及總諧波含量如表2所示。

表2 開啟空調(diào)諧波電流含量

對(duì)比開啟空調(diào)前，開啟空調(diào)后的諧波帶尖峰轉(zhuǎn)移到23和25次諧波附近。5、7、11次諧波含量大幅增加，總電流諧波含量達(dá)到了52.4%。電壓諧波由3.87%上升為8.3%。

開啟空調(diào)后，實(shí)測(cè)三相線電流為129 A，相比未開啟空調(diào)工況電流增加10 A。設(shè)計(jì)電流余量從35%降低到26%，空調(diào)產(chǎn)生的諧波電流消耗了約9%的設(shè)計(jì)余量。實(shí)測(cè)流過(guò)電容的諧波電流含量從23%增大到52.4%。實(shí)測(cè)電壓諧波含量由3.87%增大到8.3%。

3.2 變頻空調(diào)輸入側(cè)數(shù)據(jù)采集

為調(diào)查變頻空調(diào)機(jī)組對(duì)車輛380 V母線的諧波排放含量，分別測(cè)量變頻空調(diào)輸入側(cè)三相電壓(相電壓)和線電流。

圖7空調(diào)輸入側(cè)電壓電流波形

從電流波形看，電流已經(jīng)嚴(yán)重畸變，形成了典型的馬鞍形6脈沖整流器輸入電流波形如圖7，圖8所示。

對(duì)采集的三相電流進(jìn)行FFT分析：

圖8 空調(diào)輸入諧波電流分析

計(jì)算各次諧波含量及總諧波含量如表3所示。

表3 空調(diào)輸入諧波電流含量

根據(jù)上表計(jì)算電流諧波含量為72.7%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出諧波電流排放允許值≤22%的要求。母線電流中5、7次諧波含量非常豐富，波形畸變的原因源自空調(diào)機(jī)組變頻器輸入電路(6脈沖整流)非線性負(fù)載產(chǎn)生的高次諧波成份。大量的諧波電流流過(guò)三相濾波電容，大大增加了三相濾波電容的負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致電容過(guò)載，影響電容壽命。同時(shí)諧波電流對(duì)列車其他負(fù)載也帶來(lái)危害，如使用壽命、異響、絕緣破壞、加速老化等。

4 諧波治理措施

4.1 改進(jìn)濾波單元

對(duì)于濾波單元來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)增大LCL濾波單元電抗器的電感量。研究發(fā)現(xiàn)電感量增加，諧波電流呈下降趨勢(shì)。但是，變流器輸出側(cè)的電抗器電感量增加會(huì)導(dǎo)致輸出到母線的電壓降低，影響車輛其他負(fù)載的正常運(yùn)行。

改進(jìn)電容器設(shè)計(jì)制造工藝，提高電容的設(shè)計(jì)額定電壓和電流，以提高電容器的設(shè)計(jì)余量。保證電容器在較嚴(yán)苛的工作環(huán)境下能夠正常工作。但是受限于安裝空間和成本，電容器也不能做的過(guò)大。針對(duì)變頻空調(diào)的項(xiàng)目，重新設(shè)計(jì)新款電容，額定峰值電壓由620 V提高為690 V，以保證濾波電容在還有豐富諧波的電源下穩(wěn)定工作。

4.2 改進(jìn)變頻空調(diào)

為了改善車輛中壓母線的電源質(zhì)量，可以在變頻空調(diào)的輸入側(cè)安裝濾波電抗器，用于抑制空調(diào)整流電路產(chǎn)生的諧波流竄到車輛母線中。

一般來(lái)說(shuō)，在選擇插入電路的電抗器的容量時(shí)，應(yīng)使電抗器上的電壓降在負(fù)載的額定電壓2%～5%。而當(dāng)串聯(lián)安裝電壓降在5%的電抗器時(shí)，可以使高次諧波的含有率得到30%的改善。同時(shí)輸入電抗器壓降不宜取得過(guò)大，壓降過(guò)大會(huì)影響變頻空調(diào)機(jī)組正常工作。一般情況下選取進(jìn)線電壓的4%(8.8 V)已足夠。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，變頻空調(diào)使用將導(dǎo)致列車中壓母線含有豐富的高次諧波。在變頻空調(diào)滿載(全冷模式)工況下，輸入電流諧波含量(72.7%)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)要求(22%)。

豐富諧波電流會(huì)注入三相電容，導(dǎo)致電容負(fù)載電流諧波含量從23%增大到52.4%，增大了2.2倍，電流設(shè)計(jì)冗余量由35%下降到26%，降低了電容電流設(shè)計(jì)余量。資料顯示，超過(guò)額定工作電壓，電壓每增加10%，電容器的壽命就會(huì)縮短50%。諧波電壓作用在頻率越高電抗越低的電容器上，會(huì)導(dǎo)致電容器過(guò)流、發(fā)熱、介質(zhì)老化，甚至導(dǎo)致電容器失效損壞。