廣州地鐵6號線GKoc1000型內燃機車空調故障解析

李金亮

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510380）

0 引言

廣州地鐵六號線GKoc1000型內燃機車（以下簡稱內燃機車）是南車資陽機車有限公司設計的液力傳動調車機車，適用于城市軌道交通列車的調車及列車救援等作業。機車裝車功率444 kW，最大運用速度為80 km/h。其主控電路為24 V，空調為220 V交流供電的上海立特工業空調。機車采用了PLC控制加彩色顯示屏、微機控制電液換向等。該機車在設計階段為更有利于減小機車通過65 m曲線時對軌道的側壓力，縮短了機車總長度，在機車總體布局上將原起動發電機通過柴油機自由端驅動傳動軸、傳動軸驅動變速箱、變速箱再驅動發電機的方案更改為柴油機自由端皮帶輪直接驅動發電機的方式，由于皮帶傳遞的功率有部分損失，導致輸出的110 V電壓存在波動現象。

1 空調故障

在使用過程中發現空調工作時，空壓機啟動瞬間，由于負載瞬時增加導致輔助發電機皮帶瞬時打滑異響嚴重，此時輔助發電機輸出功率急劇降低，實測其經過電壓調整器后的110 V輸出電壓變化范圍在68～150 V之間，而空調逆變器輸入電壓范圍為90～150 V，電壓的突變導致空調頻繁出現停止工作、燒壞壓縮機啟動電容、欠壓保護開關跳閘的現象。

1.1 系統原理分析

空調采用220 V交流電工作，輔助發電機發出的直流110 V經過電壓調整器后通過逆變電源逆變為220 V交流電。

1.1.1 電壓調整器參數

電壓調整器的作用是當柴油機轉速發生變化或負載改變時，自動調節啟動發電機的勵磁電流，維持發電機輸出DC110V電壓恒定于DC110V±2V伏。TT-DYT/Ⅰ型電壓調整器具有雙備份電路，在一路電路出現故障時，可以立即切換到備用電路，提高了機車運行安全。

1.1.2 空調系統電路原理

110 V直流發電機發電經過電壓調整器后變為穩定的110 V直流電，打下空調電源開關FSM1后，K101和K102接線端子輸出110 V直流電進入空調逆變電源。經過逆變后的220 V交流電通過K401、K403、K404給空調壓縮機供電和空調控制面板供電。如圖1、2所示。

圖1 空調控制開關電路

圖2 空調逆變電源輸入輸出電路

2 原因分析

2.1 檢測分析

用示波器分別測試了空調逆變電源在只有空調負載和空壓機啟動瞬間110 V直流輸入和220 V交流輸出電壓諧波信號波形圖，進一步分析在各種工況下電壓信號跳動幅度及平穩度。

圖3 第二檢測點波動圖

空調供電電路監測點：空調開關FSM1閉合后由K101、K102進入空調逆變電源，此處為第一監測點；經過逆變后的電壓變為220 V交流電，即K101、K103進入空調主回路，此處為第二監測點。

第一監測點顯示：只有空調工作時，進入逆變器110 V電壓為直流波，但是存在較明顯的徑向跳動，電壓保持在68～150 V之間，且在空壓機啟動瞬間會達到150 V。說明電壓調整器輸出的電壓不平穩。此時輔助發電機輸出功率急劇降低，而空調逆變器輸入電壓范圍為90～150 V，同時檢測空調回路電流突變最高值達到100 A左右。

第二監測點顯示：220 V交流電壓的正弦波形橫向跳動很大，說明逆變電源濾波不好，有雜波，徑向波動不明顯。這是輸入電壓不穩定所致（圖3）。

2.2 發電機驅動方式

值得注意的是，彈性聯軸器直接傳動效率為0.99～0.995，傳動效率接近1；但對皮帶傳動效率為0.92～0.95之間，因此，皮帶傳動機組需要小功率，傳動的效率低。同時皮帶傳動效率與皮帶的張緊和打滑程度有關，不好控制。根據經驗，滿載時功率消耗1%左右，同時由于皮帶的緩沖，會引起發電機組的波動頻率[1]。

由于在空壓機啟動瞬間，負載急劇增加，由于皮帶瞬時發生變形，皮帶和帶輪之間的摩擦力小于皮帶的傳動力，故產生打滑現象；皮帶變形后不能在短時間內恢復原狀，故不能完全傳遞所需的功率，進而導致發電電壓不穩定[2]。

3 解決措施

3.1 發電機驅動方式

該機車在設計階段為更有利于減小機車通過65 m曲線時對軌道的側壓力，縮短了機車總長度，在機車總體布局上將原起動發電機通過柴油機自由端驅動傳動軸、傳動軸驅動變速箱、變速箱再驅動發電機的方案更改為柴油機自由端皮帶輪直接驅動發電機的方式。目前沒有足夠的安裝空間加裝張緊輪，故無法更改發電機驅動方式，可通過更換為齒槽型皮帶增加摩擦力，提高功率傳遞效率。

3.2 選擇合適的壓縮機電容

3.2.1 檢測方法

壓縮機從啟動到正常運行僅僅工作數秒鐘，當啟動電容因某種原因斷路或擊穿時，造成壓縮電機繞組與電壓形成不了相位差，壓縮機電機便不能正常工作，一旦壓縮機出現工作聲音異常，同時伴隨著數秒內空調跳閘等現象，就有可能是其啟動電容故障。具體測試方法如下[3]：拆下電容器，將電容器兩個接頭短接放電，因為其內部可能殘留電荷，測量時，它會向萬用表表頭放電，嚴重者，燒毀表頭線圈，輕者，會把表針打彎，影響表頭靈敏度。測量電容時，把萬用表撥到1 kΩ檔或10 kΩ檔均可，兩表筆接電容兩端接頭。

（1）若表針向0Ω偏轉，隨后，表針又慢慢返到幾百kΩ以上，此電阻是電容的漏阻，剛開始時表針的偏轉是表內電池向電容充電的結果，表針返回，說明充電器是好的。

（2）若表針偏向0Ω不返回，說明電容短路。

（3）若表針不動，說明電容斷路。

（4）若表針指向0Ω偏轉后，返回幾kΩ，可以確定電容漏電。電容漏電，使線路損耗增大，移相效果下降，旋轉磁場不正常，壓縮機不能正常啟動。

3.2.2 壓縮機電容的選用

更換電容，要對其額定工作電壓、容量和型號有全面的了解。由于電容承受電壓有一定限度，這個限度就是它的額定工作電壓，俗稱耐壓，如果外加電壓超過了這個限度，電容器的壽命就會縮短，甚至被擊穿。容量過大，電路電流增大，雖然啟動力矩增大，但運行效率卻下降了，當電容數值增加到原電容數值200%時，啟動力矩會成倍增長，而運行效率將從50%下降到20%，壓縮機會出現過熱，縮短使用壽命，所以，只要能保證壓縮機能正常啟動和運行，電容選小些，這樣耗電少，長時間運行也安全。啟動電容應選用無級性電容器在更換時應盡量按原規格使用。經查資料，內燃機車使用的空調壓縮機額定功率為1.925 kW，通過對照應選用30～50μF的電容。

3.3 空壓機啟動方式

空氣壓縮機電機的額定工作電流為165 A，起動該空壓機電流大約為500 A，由于空壓機起動電流很大，發電機短時負載很大，導致皮帶容易打滑，皮帶打滑又導致發電機輸出電壓下降，甚至低于空調正常工作電壓。為了解決該問題，采用空壓機電機降壓起動的方案[4]。

在機車后機室增加一個降壓起動柜，內裝一只降壓起動接觸器和一只0.5歐姆的降壓起動電阻3R。空壓機起動時，首先投入KMC1，空壓機降壓起動，起動電流大約200 A，5～10 s（PLC設置）后，KMC閉合，斷開KMC1，空壓機正常運行。由于降壓起動時，空壓機電機電流下降到原電流的40%，發電機的負載大幅下降，輸出電壓下降更小，有利于穩定逆變電源的輸入電壓，減少對空調機組的沖擊。電氣原理如圖4所示。

該降壓啟動動作通過PLC程序實現（圖5）。

M8000為空壓機啟動輸入，X036和X035為自動打風，X034為手動打風輸入程序；4 s后T20被激發，常開觸點閉合Y021激活，2 s后T21常閉觸點斷開，降壓啟動結束，程序轉入全壓啟動運行。

4 總結

圖4 降壓啟動電氣原理圖

圖5 降壓啟動PLC程序梯形圖

通過更換發電機皮帶為齒槽型皮帶、選用容量相當的空調壓縮機電容、空壓機采用降壓啟動裝置后，經過反復測試，空壓機不工作時，110 V回路電流為48～60 A；空壓機啟動瞬間110 V回路電流最大為137 A，有效的緩解了發電機皮帶打滑，將空壓機的啟動電壓連續、平穩的上升直到達到額定電壓。降壓啟動裝置安裝便捷，通過程序控制，隱患小，維護方便。降壓啟動裝置故障后，可直接通過全壓啟動方式實現，降壓啟動后電壓突變對線路沖擊變小，徹底的解決了空調壓縮機空氣開關頻繁跳閘、燒損電容等現象。

［1］楊永平.皮帶傳動發電機組［J］ .移動電源與車輛，1993（3）：12-14.

［2］張琛.直流無刷電動機原理及應用［M］.北京：機械工業出版社，1996.

［3］陳長勇，丁敬強，彭亞非.空調壓縮機啟動電容損壞的檢測［Z］.冶金標準化與質量，2003（5）：42-44.

［4］李永河.電機軟啟動器在空壓機改造中的應用 ［J］.軟件，2008（5）：59-60.