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地铁牵引供电PWM整流器智能维护技术

2023-06-01 来源:爱问旅游网
第20卷 第13期 V01.20 No.13 电子设计工程 Electronic Design Engineering 2012年7月 Ju1.2012 地铁牵引供电PWM整流器智能维护技术 王磊 (中国科学院电工研究所,北京100190) 摘要:面向应用于地铁牵引供电系统中的PWM整流器的智能诊断技术开展了研究。文中首先围绕影响PWM整流 器可靠性最大的直流支撑电容器提出了基于参数拟合以及Miner累积损伤原则的电解电容器损伤预测方法;其次. 文中基于PWM整流器直流中近端非金属性短路时短路电流受其交流电抗器抑制,从而无法可靠实现保护的特点。 研究了PWM整流器的非金属性短路电流辨识方法:最后.结合PWM整流器对高性能故障诊断以及虚拟仪器技术的 支持,基于分层分布思想以及虚拟仪器技术设计了地铁牵引变电所内PWM整流器的综合监控系统,介绍了系统的 组成原理并给出了现场故障录波结果 关键词:PWM整流器;电容器;损伤评估;短路电流辨识;虚拟仪器 中图分类号:TM711 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(2012)13-0121—04 Intelligent maintenance approach for PWM rectiier ifn metro supply system WANG Lei (Institute ofElectrical En ̄neenng,China Academy fScioence,Bering 100190,China) Abstract:This paper aims at the research on intelligent maintenance approach for PWM rectiifer in metro supply system.In the first part,an approach is proposed,for the damage prediction of electrolytic capacitors,which effects the reliability of PWM rectiifer seriously,and based on parameter iftting and Miner’S damage accumulation criterion;then non-metallic short- circuit detection scheme is presented,taking into consideration that the short-circuit characteristic is affected and suppressed owing to the existence of AC inductance of PWM rectifier;at last,an intelligent control and monitoring system for PWM rectifier is designed and introduced,based on muhi-level design scheme.What’S more,wavefoFIns under several malfunctions are also presented for the testament of the system. Key words:PWM rectifier;capacitor;damage evaluation;short—circuit detection;visual instrument 在城轨牵引供电系统中应用PWM整流器后能够将列车 制动能量回馈交流电网.且中压网络的功率因数可调,具有 较高应用价值ll-21。作为复杂的全控型电力电子变换器,PWM 整流器与既有的二极管整流器在系统架构、工作原理、损伤 及老化规律、故障诊断和现场监测手段等方面有很大区别。 由于PWM整流器目前并未在地铁牵引供电系统中得到大范 围应用,因此对于其智能维护技术(损伤评估、短路保护、综 合监控)方面尚无研究成果。 在PWM整流器关键部件的损伤评估方面,通过分析 献『5】中将机械领域的累积损伤原理应用于电解电容的损伤 分析中.经由电解质散失的累积情况辨识ESR。上述文献中 给出的ESR辨识方法应用于PWM整流器以评估其直流支 撑电解电容的疲劳损伤时,由于PWM整流器装置容量大、负 载波动剧烈从而ESR辨识效能并不理想。 在PWM整流器的短路保护方面,文献[6—8】给出了既有 的牵引供电系统的保护配置架构。既有的牵引供电系统采用 二极管整流器。其保护配置原则为“热累积不对装置造成损 坏”。而PWM整流器由于内部采用IGBT器件,其短路电流特 PWM整流器的可靠性模型不难发现,在其组成器件中,直流 侧起支撑作用的电容器(通常为大容量电解电容器)是影响 整个装置可靠性的薄弱点。因此,对于PWM整流器内电解电 容器的损伤和老化机理需要进行专门研究。目前,电解电容 器的损伤评估方面已有了一些研究成果,文献【3】中基于电解 质的散失程度完成电解电容寿命预测;文献【4】中经由电容等 效串电阻(ESR)的变化规律和数值完成电容的损伤评估;文 收稿日期:2012—05—23 稿件编号:201205166 征和保护规则已经不能依据常规的“热累积”原则进行,而是 应该基于“瞬时峰值”原则完成保护整定和配置。 在PWM整流器的综合监控技术方面,文献[9】中给出 了既有的牵引供电变电所的监控配置架构。与既有系统相 比.PWM整流器在数据高速采集、事故驱动型录波技术、 实时工业以太网通讯传输等方面的应用也需要给予特别 介绍。 综合上述原因,为深入研究地铁牵引供电系统中PWM 基金项目:国家科技支撑重点项目(2011BAG01B05);国家“863”计划项目(2011AA110503) 作者简介:王磊(1982一),男,山东烟台人,博士后,博士。研究方向:城轨牵引供电与牵引传动系统的综合安全保障技术。 一121— 《电子设计工程)2012年第l3期 整流器的智能维护技术,文中将围绕电解电容器的损伤预测 方法、PWM整流器的保护配置和保护整定方法以及基于 PWM整流器的虚拟仪器监控技术与智能诊断方法等开展 工作。 c・軎( R一)= ic>0 CCharge (1) ic=∑‘ ( ,ido'>0 j=A_Chage (2) (3) = 札‘ d i '1 PWM整流器电解电容损伤预测 当前电解电容器以其体积小、价格低廉等优势得到了普 遍采用,但是由于其寿命受外部因素(温度、纹波电流)影响 式(2)中 满足 ( )=, O 1x>0, 【。.≤。 (4) 式(1)至式(3)中,ic为作用在电容上的充电电流, 和 、 大。因此电解电容发生损坏的生产事故时有发生。在PWM整 流器主回路中,直流侧的电解电容器是影响整个装置运行可 靠性的重要因素。 应用于地铁牵引供电系统中的PWM整流机组,在开机 过程中需要经由交流侧或直流侧向其支撑电容器预充电,防 均为PWM整流器的交流侧预充电电流, 为 为 PWM整流器的直流侧预充电电流, 为预充电过程中电容 两端的电压,RrSR为电容的等效串联电阻,C为电容量, 外部直流馈线网压。当外部馈线网压低于PWM整流器的直 流母线电压时, =O,因此式(1)与(2)仅对 >O有效。 将式(1)进行化简并离散化后,可得式(5): c. -RESR*C. 一ic=0(5) 止工作过程中电压环外环的饱和以及对电容造成的电流冲 击。依据此预充电过程的充电电流,这里给出PWM整流器直 流支撑电容器参数拟合方法。 大功率PWM整流器采用超低感直流母排后,电解电 容等效拓扑中的等效串联电感ESL可以忽略不计,从而 RCL电容模型可以简化为RC串联模型。考虑交直流同时 式中, 为采样间隔时间。将式(2)及式(3)离散化可得 ic(k)k:∑。0(= 0( ) ‘( )1+ Uc= 札. (6) (7) 充电的情况,PWM整流器在预充电过程中的等效模型如 图1所示。 由于 L0 口 、 c口 及 (经由PWM整流器的网侧 电流传感器和直流电流传感器)可测,因此i。能观;由于 ,一・、+lJ. . ^.皇. ^ D: D23 D2】 占  — 一 :-=: (经由PWM整流器的直流电压传感器)以及 可测,因此 能观。式(5)构成了关于C和 母l的二元约束方程,无法求解。 +v=B.。6 B 一 ( 基于电解电容器的老化规律,若假定在老化初期电容量 与电解质体积满足近似线性关系,则有: D4 D2  一 2 —图1 PWM整流器预充电等效模型 Fig.1 Equivalent model of PWM rectifier during precharging G=A。・【— o(Rol )・e… 】 (8) 联立式(5)及式(8),可得式(9)。 根据KCL及KCV方程不难得到: 式(6)、式(7)和式(9)组成了C和R嘟的离散化拟合迭 ( )+\/ ( )+4・ 一Uc(k)-Ue(k-1)一. £(墨2二 墨= ). c・(R。I帅 ).e‘ l+A c(k、= 2・ ‘9’: EsR) I +A2 ]: ( )= c( )+ 代公式。 IGBT构成,在损坏时热累积时间极短,可以忽略,因此PWM 整流器要求其短路电流的辨识以及短路保护过程具有更高的 “速动性”,应该基于“瞬时峰值保护”的原则设计。 在地铁牵引供电系统中。短路电流保护和框架泄漏保护 图2中给出了基于迭代拟合所估算出的电容量与测量 值之间的关系,其中测量值通过电桥获得,检测频率2 kHz。 2 PWM整流器非金属性短路电流保护方法 二极管整流器中采用电力二极管作为功率元件,其保护 是基于“短路电流的热效应不对装置造成损坏”的原则进行 的[6--81,这与PWM整流器的保护原则相冲突。后者的主回路由 —.是主要保护。其中。框架泄漏保护主要处理的是柜内正极母线 对机壳的短路或触碰故障,在这一点上PWM整流器与二极 管整流器具有极大的相似性;短路电流保护主要可分为金属 性短路保护.中近端非金属性短路保护以及中远端非金属性 122- 《电子设计工程)2012年第13期 4结 论 面向PWM整流器在地铁牵引供电过程中存在的维护需 求。文中围绕其关键元器件的老化损伤预测方法、中近端非 金属性短路电流的可靠辨识及保护方法以及基于高速检测 和工业以太网的综合监控技术等方面进行了研究分析与介 绍。在关键元器件的老化损伤预测方法方面.文中依据PWM 整流器预充电过程中的等效数学模型以及电解电容器的参 数拟合关系给出了PWM整流器直流侧支撑电容器的离散化 拟合迭代公式。并基于Miner准则给出了其老化损伤的评价 方法;在中近端非金属性短路电流的可靠辨识及保护方面, 本文在传统di/dt+保护中引入电流峰值辨识方法,实现了短 路电流的可靠辨识;在PWM整流器的综合监控方面,文中介 绍了基于以太网和数据采集节点的分布式综合监控系统.并 给出了现场的实际故障录波结果,验证了监控系统功能的有 效性。 参考文献: Thirty—First IAS Annual Meeting,IAS'96.,Conference Record of the 1996 IEEE,1996:1347—1351. [4】CHEN Y M,WU H C,CH0U M W,et a1.Online failure prediction of the electrolytic capacitor for LC filter of switchingcmode power converters[J].IEEE Trans.Ind. Electron.,2008,55(1):400—406. [5】卢西伟,刘志刚,王磊,等.基于累积损伤理论的铝电解电 容疲劳损伤估算方法【J].电工技术 ̄4E2011,26(4):l3—18. LU Xi-wei,LIU Zhi—gang,WANG Lei,et a1.The estimate approach or ffatigue damage of luminum aelectrolytic capacitor based on accumulated damage tbeory[g Transactions of China Electronical Society,2011,26(4):13—18. [6】Fujimura T,Honda S.Short circuit current based on rectiifer circuits at DC substation,railway technical reseal'ch institute of japanese national railways[J].Quarterly Reorpts,1973,14 (4):194—199. [7]ZHU Pan-feng,LI Yong-li.An adaptive protection scheme in subway DC traction supply system[J].Power System Technology, 2002(2):716—719. 【1】王磊,刘志刚,张钢,等.基于PWM整流器的城轨牵引供电 系统研究【J】.电力电子技术,2009(7):75—77. WANG Lei,LIU Zhi—gang,ZHANG Gang,et a1.Research on a novel traction supply system for urban rail transportation [8】Hingornia N G,Hay J H.Representation of faults in the dynamic simulation of HVDC systems by digitla computer[J]. IEE Proceedings-B,1967,114(5):731-742. with PWM Reetferi[J】.Power Electronics,2009(7):75—77. 【2】WANG Lei,ZHANG Gang,SHEN Mao-sheng,et a1.A novel racttion supply system for urban rail transportation with [9]王远璋.变电站综合自动化现场技术与运行维护 .北京: 中国电力出版社.2004. 【IO]WANG Lei,LIU Zhi—gang,ZHAGN Gang,et a1.A Multi- channel Distributed Monitoring Platform based on Ethemet bidirectional power flow and based on PWM rectiifer【C】. GuilinI:CEET 20o9.2009:40-43. 【3】Gasped M L Life Prediction Model orf Aluminum Electrolytic Capacitors[C]//Industry Applications Conference, 1996. and Virtual Instrument Technology[C]//Beijing:ICEMI2009, 2009:4579—4584. Vishay推出新款高性能、小尺寸反射光传感器 Vishay Intertechnology,Inc.宣布,推出采用小型SMD封装并带有晶体管输出的反射光传感器——TCN 000。该器件的尺 寸为3.4 mmx2.7 mmx1.5 mm,探测距离O.2~5 mm,可用于消费、工业和计算机类应用。 TCNT2000使用了Vishay的高效940nm发射器芯片,典型C,I'R为4%,超过同类器件2倍。借助高CrrR。器件使设计者能 够增加探测距离,或是用更低的电流驱动器件。在不损失性能的前提下降低功耗。 TCNT2000的结构紧凑,发光源和硅光电晶体管探测器都放置在同一个平面上。在探测到距离0.2~5 mm(在峰值集极电流 的20%以内)的物体反射回来的红外光时,传感器的模拟输出信号会被触发。TCNT2000具有内置的日光阻断滤波器.能够极 大抑制杂扰的环境光,提高信噪比,同时对940 nm波长的信号保持最大的光谱灵敏度。 TCNT2000是针对工业仪表系统、计算机磁盘驱动器,以及DVD播放机等消费类设备中的光学编码和开关而设计的。此 外,这款器件还可以用做转轴编码器的精确位置传感器,适用于复印机、打印机和传真机等办公设备。 TCNT2000在试验中的典型输出电流为O.8 mA,传感器的工作温度为— 一+85℃。可采用J-STD一020规定的无铅回流焊。 器件符合Rolls指令 TCNT2000现可提供样品,并已实现量产,大宗订货的供货周期为八周。 咨询编号:2012131009 —124— 

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