基于故障模式分类的辅助变流器三相电流不平衡故障优化控制策略

李健 王双全 王先君

（1.中国铁路济南局集团有限公司青岛动车段 山东青岛 266000；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266111）

辅助变流器是动车组关键部件之一，为列车辅助设备如冷却通风机、油泵、热水器、空调装置、照明等设备提供电源，其中，一款70kVA辅助变流器大批量运用于和谐号动车组，在线运行时，报出了三相电流不平衡故障。此故障发生后，会一直间歇性出现，严重时影响动车正常运行，回动车所后，库内高压试验，极难复现。

1 控制原理

辅助变流器主电路采用“单相桥式IGBT 整流器+三相桥式IGBT逆变器”结构，由输入充电电路、单相输入变压器、整流器、逆变器、波滤波器、控制机箱等组成，将单相交流电源变换为稳定的三相电源，电路原理如图1所示。其中，电流传感器SC2、SC3、SC4 检测逆变器三相输出电流，当任意两相电流有效值差值大于20A时，持续1s，辅助变流器进行三相电流不平衡故障保护，停止工作。

图1 电路拓扑

2 理论分析

辅助变流器的负载由多个三相平衡负载组成，根据电路原理，可等效变换为一个三相平衡负载模型。当其中一个负载如W相缺相时，等效负载W相阻抗变大；W相短路时，等效负载W相阻抗变小。

为简化分析，假设辅助逆变器输出的三相电压为理想电压源，表达式如下：

根据支路电流法列出负载三相电流关系的独立表达式：

求得三相电流表达式如下：

以W 相负载为例，假设==；=，定义为平衡系数。当=1 时，三相负载平衡；当＞1时，W 相负载阻抗变大；当＜1 时，W 相负载阻抗变小。三相电流关系式简化如下：

相电流幅值变化用系数、、表征，三相电流相位变化趋势可用、、表征。当负载平衡时，三相电流幅值相等；、、相等为π/6，U、V、W相电流依次滞后2π/3。当W 相完全断开时，U、V 相电流相等，并小幅度增加，W 相电流降为0；减少至0，增加到π/3，U、V 两相相位差增加大至π；当W 相完全短路时，U、V 相电流增加，W 相电流大幅增加；增加最至π/3，减少至0，U、V两相相位差缩小至π/3。同理可以分析U相或V相阻抗的变化。

辅助逆变器三相输出频率为50Hz，U=400 ×1.414V，当=2Ω 时，W 相阻抗变化分别在=0.1、=1、=5时进行仿真分析。

3 案例分析

根据运营数据统计，在动车组运行4年左右时，辅助变流器会发生三相不平衡故障，故障现象可自动消除，会反复间歇性出现，地面复现较困难，更换传感器、逆变器、控制机箱等相关部件，故障无法消除。

故障记录显示，电流仅幅值偏小，频率相同，相位正常，三相相位依次滞后120°，三相电压正常，可以初步推测为电流检测回路异常导致。

电流检测回路由电流传感器、逆变器、控制机箱3个部分组成，三相电流检测回路相互独立，当其中一相电流检测偏小，其他两相电流幅值、相位不受影响，与故障表象相似。

排除故障不是由电流传感器、逆变器、控制机箱功能故障引起，分析检测回路信号传递过程中的薄弱环节。电流传感器变比为300A∶150mA，属于电流源信号，不受线路阻抗影响，逆变器通过25Ω采样电阻转为电压，等效变为电压源信号，上传控制机箱。当线路阻抗过大时，控制机箱接收的信号变小，就会导致故障发生。逆变器和控制机箱分别通过24 芯和48 芯连接器连接，连接器经受长时间的空气污染、氧化，并且在振动、湿热变化等恶劣工况下使用，接触电阻出现间歇性增大。

4 策略优化

考虑到检测回路引起的三相电流不平衡对辅助变流器运行及负载没有任何影响，本文提出一种软件优化方案，提高系统容错性，降低故障率。

检测回路和负载引起的三相电流不平衡有本质区别。根据基尔霍夫电流定律，对于电路的任意节点电流的代数和为零，因此负载引起电流不平衡，三相电流瞬时值之和仍为零，否则是检测回路引起。工程运用中，可采取以下逻辑：当采集到的三相电流和值为零时，并且满足电流差值条件，判断为负载引起的三相电流不平衡故障，进行保护停机；当和值不为零时，并且满足电流差值条件，判断为采样异常引起的三相电流不平衡故障，维持运行。具体软件逻辑流程图如图2所示。

图2 三相电流不平衡优化方案

5 结语

本文提出的三相电流不平衡保护策略，增强了系统的容错性，不影响对实际负载三相不平衡故障的保护。动车辅助变流器全部进行软件优化后，故障大幅降低。故该三相不平衡优化策略可以广泛推广运用，提升电气系统可靠性。