宁波地铁4号线列车空调变频器载波频率的改进与优化

田凯阳 张俊 方俊 施亦直 傅辰冰

（宁波市轨道交通集团有限公司智慧运营分公司，浙江宁波 315000）

0.引言

宁波地铁4号线工程由慈城至东钱湖地区，是轨道交通骨干线网西北至东南向的一条重要径向线，全线在东南端设东钱湖车辆段，西北端设慈城停车场，线路全长36km，共设25座车站，其中换乘站7座。平均站间距1.49km。共用位于1号线东环南路站地块的线网控制中心。宁波市轨道交通4号线工程车辆采用接触网受流和专用轨回流方式的“B型”车。其中整车供应商为株洲电力机车有限公司，牵引系统供应商为株洲时代电气。

1.概述

列车空调系统的作用，是指用以调节车内环境，处理车内空气的温度和湿度，给旅客提供一个健康舒适的乘车环境。宁波地铁4号线空调机组采用日立公司的卧式变频压缩机，在机组内部增加压缩机变频器。空调机组从新风口吸入的新鲜空气与从客室来的回风在蒸发腔混合，混合空气经过滤网过滤和冷却，再通过送风道吹向客室，带给乘客舒适健康的乘车体验[1]。

2.故障现象

宁波地铁4号线工程车辆在调试初期出现多列车空调控制盘主回路断路器F1/2和对应漏电保护器FEL1/2发生偶发性跳断现象。漏电保护器断路器的作用为保护线路设备，当线路通过电流大于阈值时断开线路，保证线路设备正常使用。

3.过程检查

由于漏电保护器FEL1/2跳断，初步判断为漏电保护器空调机组漏电流过大。导致FEL1/2断开，进而引起主回路断路器F1/2启动自保护功能。调试期间通过电流钳夹住F2上端三相进线，启用PTU开启一台压缩机，测得漏电流值在110mA～170mA波动；开启两台压缩机，测得漏电流在220mA左右，偶尔出现284mA尖峰值。采用介电测试仪对通风机做介电测试，漏电流值＜5mA；采用介电测试仪对冷凝风机做介电测试，漏电流值＜5mA；采用介电测试仪对压缩机做介电测试，测得漏电流值＜5mA，因此判断漏电流主要是由变频器运行过程中产生。

在车辆段随机选用三列车，04001车的Tc1车、04001车Mp2车、04026车的Mp2车时，在全冷的测试工况下，载波频率为9K时，进行数据测试时测得漏电流数据如表1所示。从表中可以看出当开关频率为50Hz以下时，漏电流值基本保持不变，当开关频率为70Hz时，漏电流峰值达到283mA，如表1所示。

表1 不同频率下漏电流数据

4.原因分析

空调变频器输出是以PWM（脉宽调制）方式控制，输出电流为高频方波，导致压缩机内部线圈与外壳之间、线缆与地之间有等效电容存在，从而产生泄漏电流。变频器漏电的原因主要有以下两种。

（1）EMI滤波器的Y电容：出于EMI滤波的目的，需要将变频器产生的高频信号通过Y电容接地，从而减少对车辆供电电路的电磁干扰。

（2）高频信号的分布电容泄漏：由于变频器输出为高频信号，在电源线与壳体（接地）之间会产生分布电容漏电。

漏电保护器的漏电电流等级为300mA，稍微大于两台变频运行的漏电流值，考虑到漏电保护器元器件数值误差以及机组运行环境的影响，可能会导致漏电保护器发生跳断现象。

5.整改方案

理论上IGBT的开关频率越高，漏电流值就会越大；反之，开关频率越低，漏电流值就越小。因此通过降低IGBT的开关频率值，可有效地降低漏电流值。同时降低IGBT开关频率会有以下影响。

（1）降低载波频率可减少变频器功耗。变频器中功率模块IGBT的功率损耗与载波频率有关，且随载波频率的提高功率损耗增大。载波频率越小，变频器的损耗越小，输出功率越大。因此，采用降低载波频率的方式也可减少变频器功耗。

（2）降低载波频率减少变频器输出电流平滑程度。变频器的逆变部分是由IGBT通过正弦脉宽调制（SPWM）后，通过电机绕组形成正弦波的电流波形。那么载波频率的大小直接影响输出电流波形的好坏，以及干扰的大小，当载波频率高时，电流波形正弦性好，而且平滑。降低载波频率将减少变频器输出电流平滑程度，增加毛刺。

（3）降低载波频率可能增加压缩机噪音。变频器的输出电压、电流中都含有一定分量的高次谐波，使电动机气隙的高次谐波磁通增加，所以噪声变大。降低载波频率可能会增加压缩机噪音。现场非动车情况下在客室进行噪音测试，噪音最大值不超过68dB，满足噪音测试标准，噪音测试结果如表2所示。

表2 噪音测试结果

（4）降低载波频率增加压缩机绝缘寿命。载波频率越高产生的尖峰电压数量就会越多，对电机的冲击次数也越多。较高的电压上升率在压缩机绕组上产生不均匀的电压分布，长时间重复性的过快电压变化将使压缩机绕组匝间绝缘过早破坏。因此，降低载波频率可以增加压缩机绝缘寿命。

（5）降低载波频率可能影响电磁兼容。1）变频器安装在空调机组内部，而空调机组安装在车体顶部，变频器的电磁辐射对整车影响很小；2）变频器安装在空调机组内部，机组本身为金属壳体且可靠接地，对变频器的电磁辐射有很好的防护作用；3）变频器本身内置EMI滤波器及电抗器；降低载波频率理论上会减少变频器的电磁发射强度，不会使变频器的EMI性能变差。

6.试验测试

目前，宁波4号线变频器开关频率值为9kHz，降低到4kHz后，在启动两台压缩机的情况下测得漏电流值为120mA～220mA，同时机组并无振动、异响等异常现象。因此，载波频率为4kHz时不会影响变频器的输出电压、频率，对空调系统制冷/热量不会有影响。

启用变频器面板将载波频率参数b083的数值由9.0更改为4.0；库内测试多次漏电保护器无跳断现象，正线测试半年来漏电保护器也无跳断现象，用示波器测得漏电流值一直稳定在120mA～220mA，验证了此方案在确保机组稳定运行前提下的可行性。

此外，通过宁波4号线磁场测试试验大纲可知，交流磁通量密度限值需保持在4以下，如图1所示。

图1 交流磁通量密度强度

7.结论

更改载波频率不会影响电磁兼容。此外，漏电保护器也无跳断现象，验证此方案确保机组稳定运行下的可行性。测试结果如表3所示。

表3 交流磁通量密度测试结果