地铁车辆变频空调对辅助变流器滤波电容的影响分析

(新誉庞巴迪牵引系统有限公司，江苏 常州 213166)

0 引言

随着城市轨道交通行业地铁车辆技术的发展，越来越多的变频空调被应用到车辆中。变频空调可以减小地铁车辆的能耗，提高乘客舒适度。但是，变频空调的6脉冲整流电路产生的谐波也会对车辆中压母线电源质量产生较大的影响。

本文针对国内某地铁项目辅助变流器滤波单元中的三相滤波电容发生严重烧损的故障，结合理论与现场试验，调查变频空调产生的谐波对滤波电容的影响，分析其影响机制及影响程度，以供使用车载变频空调的地铁项目参考。

1 辅助变流器滤波单元系统

国内某城市地铁1号线车辆辅助变流器及滤波单元如图1原理图所示：滤波单元集成了电抗器的三相变压器单元、三相滤波电容器和三相电抗器等部件。

图1 辅助变流器滤波单元电气原理图

受电弓下来的1 500 V直流电源经过变流器单元和变压器逆变为380 V/50 Hz的三相交流电，通过三相滤波电容器及电抗器组成的LCL滤波器进行滤波，为车辆辅助负载设备包括冷却风机、车载空调机组HVAC、制动系统空压机、充电机等供电。车载空调机组为变频空调，通过6脉冲整流模块将380 V电压整流为直流电压，然后通过逆变器形成变压变频交流电源驱动空调压缩机。

三相滤波电容器设计的目的是滤除变流器输出的高次谐波，降低输出三相电压的畸波率。另外，除了作为滤波器的功能之外，三相电容器还可以为车辆感性负载消耗的无功功率提供无功功率补偿。三相电容额定容值3×550 μF±5%，额定电压400 V，峰值电压620 V，额定线电流160 A。三相电抗器额定电抗3×18 μH，额定电压400 V，额定电流370 A。三相变压器内置的电抗器电抗为3×500 μH。

2 谐波的产生与危害

理想的交流电压和电流波形应该是单一频率的正弦波，而实际的供电系统中由于负载的非线性会使电压和电流产生畸变而偏离正弦，出现各种谐波分量。

图2 三相滤波单元等效电路

如图2滤波单元的等效电路。AC为变流器输出电源，为集成在变压器单元的三相电抗器，为三相滤波电容，为三相电抗器，为负载(变频空调)产生的高次谐波电源。在单独考虑负载侧谐波分量Uh影响的情况下，可忽略对谐波电流的影响。由等效电路可见，谐波电流Ih在经过电抗器的抑制作用后，全部经过电容流通。在更恶劣的情况下，谐波频次如果处于电感和电抗组成的LC谐振频率带，会产生更大的谐波电流。

另外，谐波电压会导致电容器运行电压有效值和峰值增大，直接降低滤波单元设备的设计余量。严重情况下会导致电容器绝缘受损，引起局部放电，影响滤波电容寿命。

针对谐波排放，国内外都有相关标准。如IEC61000-3-12-2011对用电设备谐波电流排放的要求如图3，要求谐波电流排放允许值≤22%；铁路应用行业的标准EN50121-3-2-2015 规定三相交流母线电压公共端口电源质量标准，要求谐波电压含量<8%，TB/T3411-2015要求输出谐波电压含量≤10%。

3 故障调查数据采集分析

3.1 三相滤波电容器侧数据采集

使用德维创作为数据采集处理系统，使用3组电压传感器和3组电流传感器作为采样系统，通过德维创对采集的电压电流信号进行示波显示和FFT傅里叶级数的谐波分析，可清晰地显示各次谐波含量。

为了调查变频空调对流经三相滤波电容的电压电流的影响，选取电容侧进行电压电流采样。

3.1.1 试验工况：开启辅助变流器，关闭空调

对采集的三相电压电流进行FFT分析，如图3所示。

从数据分析看，关闭空调的情况下，电容侧电压接近正弦波。电压谐波含量为3.87%。

图4计算各次电流谐波含量如表1所示。

图3 电容电压谐波分析

图4 电容电流谐波分析

表1 各次谐波电流含量

通过各次谐波计算流过电容的总的电流谐波含量为23%。

辅助变流器的IGBT开关频率设计为1 350 Hz，在IGBT开关频率带附近会有较大的谐波含量。所以在空调关闭的情况下，会在23次、25次、29次和31次频率带有较大的谐波电流。设置三相滤波器的目的就是为了滤除这些频率带的谐波，以减小变流器输出到车辆母线电源的畸变率。

空调关闭后，实测三相线电流为120 A。按380 V交流正弦系统计算，额定容值550 μF的三相电容工作电流应为113.6 A。电容的设计额定电流为160 A，设计余量为35%。

3.1.2 试验工况：开启辅助变流器，开启空调全功率运行

对采集的电容侧三相电压，进行FFT分析如图5所示。

空调开启后，电容端的电压谐波含量明显上升。计算电压谐波含量为8.3%。

对电流进行谐波分析，如图6所示。

图5 开启空调电压谐波分析

图6开启空调电流谐波分析

计算各次谐波含量及总谐波含量如表2所示。

表2 开启空调谐波电流含量

对比开启空调前，开启空调后的谐波带尖峰转移到23和25次谐波附近。5、7、11次谐波含量大幅增加，总电流谐波含量达到了52.4%。电压谐波由3.87%上升为8.3%。

开启空调后，实测三相线电流为129 A，相比未开启空调工况电流增加10 A。设计电流余量从35%降低到26%，空调产生的谐波电流消耗了约9%的设计余量。实测流过电容的谐波电流含量从23%增大到52.4%。实测电压谐波含量由3.87%增大到8.3%。

3.2 变频空调输入侧数据采集

为调查变频空调机组对车辆380 V母线的谐波排放含量，分别测量变频空调输入侧三相电压(相电压)和线电流。

图7空调输入侧电压电流波形

从电流波形看，电流已经严重畸变，形成了典型的马鞍形6脉冲整流器输入电流波形如图7，图8所示。

对采集的三相电流进行FFT分析：

图8 空调输入谐波电流分析

计算各次谐波含量及总谐波含量如表3所示。

表3 空调输入谐波电流含量

根据上表计算电流谐波含量为72.7%，远远超出谐波电流排放允许值≤22%的要求。母线电流中5、7次谐波含量非常丰富，波形畸变的原因源自空调机组变频器输入电路(6脉冲整流)非线性负载产生的高次谐波成份。大量的谐波电流流过三相滤波电容，大大增加了三相滤波电容的负担，严重情况下导致电容过载，影响电容寿命。同时谐波电流对列车其他负载也带来危害，如使用寿命、异响、绝缘破坏、加速老化等。

4 谐波治理措施

4.1 改进滤波单元

对于滤波单元来说，可以通过增大LCL滤波单元电抗器的电感量。研究发现电感量增加，谐波电流呈下降趋势。但是，变流器输出侧的电抗器电感量增加会导致输出到母线的电压降低，影响车辆其他负载的正常运行。

改进电容器设计制造工艺，提高电容的设计额定电压和电流，以提高电容器的设计余量。保证电容器在较严苛的工作环境下能够正常工作。但是受限于安装空间和成本，电容器也不能做的过大。针对变频空调的项目，重新设计新款电容，额定峰值电压由620 V提高为690 V，以保证滤波电容在还有丰富谐波的电源下稳定工作。

4.2 改进变频空调

为了改善车辆中压母线的电源质量，可以在变频空调的输入侧安装滤波电抗器，用于抑制空调整流电路产生的谐波流窜到车辆母线中。

一般来说，在选择插入电路的电抗器的容量时，应使电抗器上的电压降在负载的额定电压2%～5%。而当串联安装电压降在5%的电抗器时，可以使高次谐波的含有率得到30%的改善。同时输入电抗器压降不宜取得过大，压降过大会影响变频空调机组正常工作。一般情况下选取进线电压的4%(8.8 V)已足够。

5 结语

通过实测数据可以看出，变频空调使用将导致列车中压母线含有丰富的高次谐波。在变频空调满载(全冷模式)工况下，输入电流谐波含量(72.7%)，远远超出标准要求(22%)。

丰富谐波电流会注入三相电容，导致电容负载电流谐波含量从23%增大到52.4%，增大了2.2倍，电流设计冗余量由35%下降到26%，降低了电容电流设计余量。资料显示，超过额定工作电压，电压每增加10%，电容器的寿命就会缩短50%。谐波电压作用在频率越高电抗越低的电容器上，会导致电容器过流、发热、介质老化，甚至导致电容器失效损坏。