[摘" " 要]主要研究南京地鐵列車某輔助逆變模塊冷卻系統(tǒng)的原理和布局。根據(jù)運(yùn)營(yíng)效果和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)來探索制定最佳的故障預(yù)警方案和維護(hù)策略，以省時(shí)高效的維護(hù)作業(yè)來確保設(shè)備穩(wěn)定工作。

[關(guān)鍵詞]逆變模塊;冷卻風(fēng)機(jī);風(fēng)速傳感器;變壓器

[中圖分類號(hào)]U269 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

1 輔助逆變模塊冷卻系統(tǒng)概述

目前，南京地鐵車輛供電分為高壓、中壓和低壓，高壓為1500V直流，中壓為400/230V交流，低壓為110V直流。高壓通過受電弓的受流為整個(gè)列車提供電源，用于牽引裝置供電。同時(shí)，通過輔助逆變器將其逆變?yōu)橹袎?，用于列車所有中壓設(shè)備供電。輔助逆變器也可將高壓逆變整流成列車低壓設(shè)備所需電壓。

輔助逆變模塊和變壓器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，為避免高溫環(huán)境對(duì)模塊內(nèi)部元器件和變壓器的使用壽命產(chǎn)生不利影響，需要配備相應(yīng)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行散熱降溫。以南京地鐵10號(hào)線項(xiàng)目為例，除散熱器外，逆變器箱的表面溫度在特定的冷卻條件下將不超過60℃。目前主流冷卻方式有強(qiáng)迫風(fēng)冷、水循環(huán)系統(tǒng)以及油循環(huán)系統(tǒng)等。不同的冷卻系統(tǒng)適配不同的逆變方案和裝配布局，本文主要研究強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)的維護(hù)方案。

2 強(qiáng)迫風(fēng)冷的原理和布局

南京地鐵10號(hào)線列車輔助逆變模塊采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方案進(jìn)行冷卻，相比水循環(huán)和油循環(huán)冷卻系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)布局較簡(jiǎn)單。主要設(shè)備有冷卻風(fēng)機(jī)，兩側(cè)有通風(fēng)格柵（進(jìn)風(fēng)口），風(fēng)機(jī)附近配有風(fēng)速傳感器，用以監(jiān)測(cè)通風(fēng)量。

如圖1所示，外界空氣從兩側(cè)進(jìn)入，分別經(jīng)過逆變模塊IM和蓄電池充電模塊BCM散熱片，進(jìn)入中間風(fēng)道，經(jīng)過變壓器繞組設(shè)備，再?gòu)南虏扛駯懦鲲L(fēng)口排出，從而實(shí)現(xiàn)冷熱交換，達(dá)到冷卻效果。

3 冷卻系統(tǒng)的監(jiān)控管理

強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻效果在于能有效進(jìn)行冷熱交換，帶走熱量，確保功率模塊正常運(yùn)方。風(fēng)速傳感器是監(jiān)測(cè)通風(fēng)效果的媒介，安裝在進(jìn)風(fēng)口附近（散熱片后端），如圖2所示。

風(fēng)速傳感器的功能是快速檢測(cè)輔助逆變器箱體內(nèi)冷卻空氣流量丟失，實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)模擬量發(fā)送給輔助控制單元，如圖3所示。冷卻風(fēng)機(jī)失電、進(jìn)風(fēng)口堵塞、風(fēng)機(jī)損壞或堵轉(zhuǎn)等情況都會(huì)造成風(fēng)速低故障，此時(shí)控制單元將停止功率模塊運(yùn)行，保護(hù)設(shè)備以免過溫運(yùn)行導(dǎo)致燒損。

風(fēng)速傳感器的輸出范圍是8～20mA。當(dāng)輔助逆變器處于待機(jī)時(shí)，風(fēng)速傳感器輸出值為8mA左右;當(dāng)輔助逆變器啟動(dòng)時(shí)，風(fēng)速傳感器輸出值為15.5mA左右。

前期設(shè)定相應(yīng)的風(fēng)速警報(bào)邏輯只有一級(jí)。當(dāng)出現(xiàn)低風(fēng)量且持續(xù)30s以上時(shí)，輔助逆變器會(huì)停止工作并嘗試重啟。如果在輔助逆變器重啟5min后仍然出現(xiàn)風(fēng)速低的故障，輔助逆變器將停機(jī)報(bào)永久性故障。在該邏輯設(shè)定條件下，相同項(xiàng)目在運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后出現(xiàn)了變壓器絕緣層過溫?zé)龘p情況，引起進(jìn)一步的思考：是否對(duì)冷卻要求（風(fēng)速極限值設(shè)定）過低。為對(duì)比各列車風(fēng)速傳感器監(jiān)測(cè)值的準(zhǔn)確性，選定部分列車，對(duì)其進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行清潔并更新進(jìn)風(fēng)口濾棉，所采集的風(fēng)速初始值如圖4所示，表明所有列車的風(fēng)速傳感器的測(cè)定存在微小差異。為此，提高了風(fēng)速值監(jiān)測(cè)警報(bào)級(jí)別，并分為3級(jí)管理，包括2個(gè)報(bào)警和1個(gè)故障。將風(fēng)速值極限值重新定義為11mA，高于原來設(shè)定的極限值，即當(dāng)風(fēng)速低于11mA時(shí)功率模塊停止工作。2個(gè)報(bào)警級(jí)別分別定義在12mA和13mA，可以在輔助逆變器發(fā)生故障停機(jī)之前作出預(yù)先警示，此時(shí)功率模塊仍有通風(fēng)余量可以維持工作，不會(huì)對(duì)正線運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生影響，并給維修方面提供足夠的時(shí)間去進(jìn)行維護(hù)處理。

（1）1級(jí)風(fēng)速警報(bào)。風(fēng)速值小于13mA。該報(bào)警作為非正常風(fēng)速值低的警告，表示濾棉已經(jīng)有堵塞。風(fēng)速低輕級(jí)故障發(fā)送到列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)TCMS，該故障不會(huì)出現(xiàn)在司機(jī)操作界面，輔助逆變器保持工作，不會(huì)對(duì)正線運(yùn)營(yíng)造成影響。對(duì)應(yīng)維護(hù)操作：盡快檢查濾棉和進(jìn)風(fēng)口，如有必要，更換濾棉。

（2）2級(jí)風(fēng)速警報(bào)（臨界）。風(fēng)速值小于12mA。該報(bào)警表示風(fēng)速值已經(jīng)達(dá)到臨界值，可能由于進(jìn)風(fēng)口或?yàn)V棉堵塞導(dǎo)致。風(fēng)速低中級(jí)故障發(fā)送到列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)TCMS，故障會(huì)出現(xiàn)在司機(jī)操作界面，輔助逆變器仍保持工作。對(duì)應(yīng)維護(hù)操作：運(yùn)行終點(diǎn)退出運(yùn)營(yíng)，檢查濾棉和進(jìn)風(fēng)口，如有必要，更換濾棉。

（3）3級(jí)風(fēng)速低故障。風(fēng)速值小于11mA。此時(shí)輔助逆變器會(huì)停機(jī)后嘗試再次啟動(dòng)，如有異物堵塞進(jìn)風(fēng)口，停機(jī)后風(fēng)力消失異物會(huì)掉落;如仍然監(jiān)測(cè)到風(fēng)速低于11mA，風(fēng)速低重大故障發(fā)送到列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)TCMS，故障會(huì)出現(xiàn)在司機(jī)操作界面，如故障持續(xù)時(shí)間超過30s，則輔助逆變器停機(jī)。對(duì)應(yīng)維護(hù)操作：運(yùn)行終點(diǎn)，立刻檢查濾棉和進(jìn)風(fēng)口，如有必要，立刻更換濾棉。

4 冷卻系統(tǒng)周期性維護(hù)研究

為使輔助功率設(shè)備可靠運(yùn)行，雖然不僅要對(duì)冷卻系統(tǒng)有一定的監(jiān)測(cè)條件進(jìn)行故障監(jiān)控管理，但仍需還要探索周期性預(yù)防維護(hù)策略操作。針對(duì)強(qiáng)迫風(fēng)冷的維護(hù)作業(yè)，一般為清潔進(jìn)風(fēng)口和相應(yīng)的金屬濾網(wǎng)?？紤]到金屬濾網(wǎng)清潔作業(yè)效率低，清潔效果可控性差的問題，十號(hào)線采用一次性濾棉代替金屬濾網(wǎng)對(duì)進(jìn)風(fēng)空氣進(jìn)行過濾，維護(hù)時(shí)只需要更換一次性空氣濾棉即可，無需清洗，作業(yè)效率高，且使用效果更可靠。

空氣濾棉的更換周期與環(huán)境空氣質(zhì)量息息相關(guān)，為確定空氣濾棉的更換周期，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分2個(gè)階段進(jìn)行監(jiān)測(cè)跟蹤。①4—6月空氣中毛絮粉塵增多，如遇雨天極易引起進(jìn)風(fēng)口堵塞，如圖5所示，第18天風(fēng)速值降到參考值以下。觀察風(fēng)速監(jiān)測(cè)趨勢(shì)圖曲線，最后階段降低較快，存在驟降風(fēng)險(xiǎn)因素。②在非毛絮期，風(fēng)速值的曲線變化在第51天達(dá)到參考值以下（如圖6所示），曲線同樣在后期降低較快，存在驟降風(fēng)險(xiǎn)因素。由于風(fēng)速傳感器數(shù)值采樣的局限性和空氣質(zhì)量的不確定性，還要預(yù)留充足的通風(fēng)余量給設(shè)備進(jìn)行有效冷卻。根據(jù)作業(yè)排班、數(shù)據(jù)變化分析以及空氣濾棉的濾塵效果，安排進(jìn)行階段性固定周期更換空氣濾棉，如8天/16天/30天為一個(gè)周期更換空氣濾棉，并清潔散熱片，根據(jù)環(huán)境變化，靈活變更維護(hù)方案。

此外，每年對(duì)通風(fēng)道進(jìn)行深度清潔，制定季節(jié)性的散熱片清潔作業(yè)計(jì)劃，可以更好地滿足輔助功率模塊散熱需求。

5 結(jié)束語

強(qiáng)迫風(fēng)冷結(jié)構(gòu)和布局較簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)可靠性高，故障風(fēng)險(xiǎn)性低。當(dāng)然，具體的冷卻系統(tǒng)方案是根據(jù)輔助逆變模塊設(shè)備布局及工況需求決定。通過一段時(shí)間運(yùn)營(yíng)和跟蹤，制定合適的維護(hù)策略以滿足設(shè)備可靠運(yùn)行。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看匹配的維護(hù)策略可以延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。此外，對(duì)風(fēng)速的監(jiān)測(cè)實(shí)際上是為了監(jiān)測(cè)設(shè)備的冷卻效果，如能在設(shè)備上匹配合適的溫度傳感器，將可以更直觀地看到設(shè)備冷卻效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 雷淑田，李凱，魏興，等. 地鐵車輛集成式牽引輔助變流器研制[J]. 自動(dòng)化應(yīng)用，2021（7）：144-146.

[2] 林弘毅，郭瀟，伍梁，等. 電力電子裝置強(qiáng)風(fēng)散熱模型簡(jiǎn)化方法及應(yīng)用[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2021，55（6）：1159-1167.

[3] 楊磊. 淺談變壓器強(qiáng)迫油循環(huán)風(fēng)冷裝置[J]. 創(chuàng)新科技，2013，11（43）：79-80.

作者簡(jiǎn)介

徐梅（1988—）女，江蘇鹽城人，本科，工程師，主要研究方向城市軌道交通車輛，電氣技術(shù)管理，列車高壓受流、牽引及供電系統(tǒng)等。