HXD3C型電力機(jī)車輔助變流器控制原理及其復(fù)合型故障分析

劉應(yīng)軍， 廖永衡

(廣州鐵路(集團(tuán))公司 機(jī)務(wù)處， 廣州 510088)

廣州鐵路(集團(tuán))公司客運(yùn)機(jī)車交路存在臨時(shí)機(jī)外多、線路整治臨時(shí)限速多、小半徑曲線限速低、縱斷面復(fù)雜等不利因素，這就要求機(jī)車具備較大的起動(dòng)牽引力以適應(yīng)頻繁快速啟動(dòng)、較低的持續(xù)速度實(shí)現(xiàn)機(jī)車低速下全功率發(fā)揮、較高的剩余加速度滿足爬坡不掉速，以往使用SS8型電力機(jī)車牽引時(shí)，上述要求均不能滿足，正點(diǎn)率難以保證，而HXD3C型機(jī)車起動(dòng)階段牽引力大加速快、調(diào)速階段持續(xù)速度低、剩余加速度大，此外交流傳動(dòng)機(jī)車網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高、入段整備時(shí)間短、發(fā)生故障具備自我診斷與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、可靠性更高尤其適合長(zhǎng)交路運(yùn)行，為此廣鐵集團(tuán)公司2011年初至今陸續(xù)配屬80臺(tái)HXD3C型機(jī)車取代SS8型機(jī)車擔(dān)當(dāng)跨局直通旅客列車牽引任務(wù)，擔(dān)當(dāng)區(qū)段最遠(yuǎn)為廣州至貴陽(yáng)/重慶。

然而HXD3C型機(jī)車在廣鐵集團(tuán)經(jīng)過4年的運(yùn)用，已陸續(xù)經(jīng)過C4甚至C5修程，因機(jī)車設(shè)計(jì)制造缺陷、技術(shù)資料匱乏及承修廠家在段人員實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，部分臨修機(jī)車經(jīng)處理后出現(xiàn)故障擴(kuò)大甚至長(zhǎng)期趴窩現(xiàn)象，例如2015年底廣州機(jī)務(wù)段支配的718#機(jī)車，因故障處置時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致該機(jī)車未能正常參加春運(yùn)，影響了機(jī)車正常周轉(zhuǎn)、增加了供車壓力。

1 機(jī)車故障過程

2015年12月26日718#機(jī)車在長(zhǎng)沙站外換掛作業(yè)，乘務(wù)員執(zhí)行換端操作，升弓一瞬間，高壓柜內(nèi)發(fā)出巨響并伴隨火光，導(dǎo)致機(jī)破，事后查明故障系高壓柜內(nèi)互感器端子對(duì)高壓母線電纜金屬屏蔽層放電擊穿所致，故障恢復(fù)過程涉及到牽引變壓器、高壓互感器、高壓隔離開關(guān)、主輔變流器、主斷路器等多個(gè)設(shè)備廠家的設(shè)備更換，一切設(shè)備恢復(fù)后再次升弓進(jìn)行高壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)輔助變流器1(APU1)故障，并伴隨跳主斷，TCMS微機(jī)屏顯示APU1整流過電壓，必須將APU1隔離，才能閉合主斷依靠APU2運(yùn)行，聯(lián)想到控制電源PSU依靠APU的整流電壓斬波供電，機(jī)務(wù)段技術(shù)工程師利用TCMS子菜單中“蓄電池控制電源”顯示一欄，觀察PSU1的輸入直流，當(dāng)再次單獨(dú)使用APU1時(shí)，閉合主斷一瞬間，PSU輸入直流電壓一度達(dá)到950 V遠(yuǎn)超750 V的正常值，而單獨(dú)使用APU2時(shí)，PSU顯示輸入值為正常的750 V，由此可見APU1整流過電壓確實(shí)存在，隨即技術(shù)科工程師通知東芝售后進(jìn)行處理。

2 機(jī)車故障數(shù)據(jù)的利用

2.1 輔助變流器的故障數(shù)據(jù)產(chǎn)生機(jī)制

東芝售后首先調(diào)閱APU1的LED燈顯記錄，確實(shí)有FCOV(filter capacitor over voltage)故障碼，利用東芝APU故障診斷軟件(PTE for APU-Converter)下載APU整流器故障數(shù)據(jù)，如圖1所示。

圖1中東芝故障數(shù)據(jù)有ntr和lsr兩種后綴名文件，每種后綴文件又分為模擬記錄和數(shù)字開關(guān)量記錄兩個(gè)文件，東芝故障數(shù)據(jù)生成機(jī)制，采用無故障不記錄，有故障時(shí)分別記錄故障時(shí)刻(圖1中豎線對(duì)應(yīng)0時(shí)刻)前后一定時(shí)間段的模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字開關(guān)量記錄，其中ntr文件記錄時(shí)長(zhǎng)0.4 s，保存10種模擬量且記錄較為精細(xì)(采樣周期2 ms)，lsr文件時(shí)長(zhǎng)7.2 s，但僅記錄4種模擬量，且記錄較為粗糙(采樣周期36 ms)，因此lsr用于記錄故障宏觀輪廓，再結(jié)合ntr對(duì)故障微觀細(xì)節(jié)進(jìn)行分析，文中由于版面需要，將ntr和lsr文件的關(guān)鍵模擬數(shù)據(jù)和開關(guān)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入至excel表格，在同一版面顯示以方便分析，如圖2所示。

圖1 HXD3C0718機(jī)車的原始故障數(shù)據(jù)下載記錄

2.2 輔助變流器的故障數(shù)據(jù)分析

從圖2(a) lsr長(zhǎng)期宏觀記錄可以大致分析HXD3C機(jī)車輔助變流器工作邏輯如下：a時(shí)刻主斷路器閉合后，產(chǎn)生VCBO(主斷路器閉合)信號(hào)，送至APU控制單元，經(jīng)內(nèi)部程序處理后輸出充電接觸器(AK)閉合指令，經(jīng)一定延時(shí)，b時(shí)刻AK閉合APU整流器部分開始進(jìn)行全橋整流給濾波電容充電，同時(shí)AK閉合反饋信號(hào)AKA反饋至APU控制單元，隨著直流濾波電容充電，至c時(shí)刻，當(dāng)直流電壓上升至600 V左右時(shí)，APU控制單元發(fā)出AK釋放指令和K(短接接觸器) 閉合指令，經(jīng)一定延時(shí)，d時(shí)刻K閉合反饋信號(hào)KA傳送至APU控制單元，于是APU整流部分開始進(jìn)行四象限整流控制，直流電壓再次迅速上升，但由于系統(tǒng)存在故障，輸入電流瞬間突破1 300 A，直流電壓沒有在750 V左右維持穩(wěn)定，而是涌至850 V左右，由于先觸發(fā)輸入過電流保護(hù)(ISOC)，APU控制單元發(fā)出釋放K指令，f時(shí)刻，K釋放，直流濾波電容開始自然泄放，從而保護(hù)APU安全。

圖3中利用數(shù)字示波器分別記錄了直流濾波電容完全放電后，(a)故障APU以及(b)正常APU起動(dòng)過程中的直流電壓波形，(a)與(b)在起動(dòng)過程電壓上升率一致，因此可以排除充電電阻或者直流電容失效導(dǎo)致的ISOC或FOCV故障，(a)與(b)的異同主要發(fā)生在短接接觸器閉合后也就是APU開始四象限整流器控制的一瞬間，(a)的直流電壓發(fā)生較大的振蕩(圖中圓圈內(nèi)所示)，且最大電壓達(dá)到了900 V以上，在APU自動(dòng)隔離前，人為斷開主斷路器后，再次閉合，故障電壓波形重復(fù)出現(xiàn)，而(b)啟動(dòng)后，直流電壓一直保持穩(wěn)定在750 V 左右，直至KM11接觸器吸合，而(a)啟動(dòng)過程中，KM11一直未吸合，而是閉合延長(zhǎng)供電接觸器KM20，切換到APU2運(yùn)行，最終APU1自動(dòng)隔離，查閱TCMS與APU相關(guān)的邏輯控制框圖如下：

由圖4可知：當(dāng)APU1和APU2完全正常，且司機(jī)沒有在微機(jī)屏進(jìn)行隔離操作，則a=1和d=1，且APU1和2的逆變器準(zhǔn)備就緒線(591和691)為高電平，則b=e=1，又a=d=1，經(jīng)過(異2)門后，使(和9)門輸出0，則465號(hào)線輸出0，那么KM20不閉合，所以有c=0，c與e再經(jīng)(和3)門輸出0，且c與b經(jīng)(和6)門輸出0，兩者經(jīng)過反相后，再通過(和4)與(和5)門分別與b、e進(jìn)行與運(yùn)算都輸出1，使控制KM11和KM12的463和464線輸出高電平，這樣KM11和KM12吸合。依此類推，得出以下結(jié)論：當(dāng)APU1存在故障或者司機(jī)隔離后，則KM11不閉合，KM12閉合，KM20延時(shí)2 s再閉合，KM12閉合信號(hào)與APU1故障信號(hào)反饋至APU2，APU2開始VVVF(變壓變頻)啟動(dòng)，并最終維持CVCF(恒壓恒頻)運(yùn)行；當(dāng)APU2存在故障或司機(jī)隔離，則KM12不閉合，KM11閉合，KM20延時(shí)2 s后再閉合，KM11閉合信號(hào)與APU2故障信號(hào)反饋至APU1整理控制單元，APU1開始VVVF啟動(dòng)，并最終維持CVCF運(yùn)行，將圖4再結(jié)合HXD3C機(jī)車APU的控制單元結(jié)構(gòu)，可以得到圖5所示：HXD3C機(jī)車的APU控制單元與TCMS部分硬件控制結(jié)構(gòu)。

圖2 HXD3C0718機(jī)車主要故障數(shù)據(jù)記錄波形

圖3 HXD3C機(jī)車APU整流器啟動(dòng)故障與正常時(shí)的中間直流電壓波形

圖4 HXD3C機(jī)車輔助變流器KM11、KM12與KM20接觸器控制邏輯

圖5描述了TCMS、APU控制單元與 KM11、KM12和KM20的控制結(jié)構(gòu)關(guān)系，對(duì)于本次故障而言，APU1的整流部分整流過電壓，通過圖中FAULT1向APU1的逆變部分發(fā)出保護(hù)信號(hào)，那么逆變部分就向TCMS發(fā)出FAULT信號(hào)，同時(shí)READY信號(hào)不構(gòu)成，兩者經(jīng)過TCMS中的控制邏輯處理后，KM11不吸合，那么逆變部分也不會(huì)開始VVVF起動(dòng)；反之，如果APU1的逆變部分因過流、過壓、過熱等產(chǎn)生保護(hù)，一方面通過FAULT和READY信號(hào)通知TCMS觸發(fā)跳主斷或者斷開接觸器等保護(hù)動(dòng)作，另一方面通過FAULT2信號(hào)反饋至APU1的整流部分，使整流器停止工作從源頭保護(hù)整個(gè)APU的安全。

值得一提的是APU的整流部分和逆變部分控制單元體硬件結(jié)構(gòu)是完全一致的，將控制板的CN3-16、CN3-17兩個(gè)端子短接，將17腳接24 V地，則控制板內(nèi)部運(yùn)行整流控制算法，將16-17斷開，讓17腳懸空，則控制板內(nèi)部運(yùn)行逆變控制算法，對(duì)于運(yùn)行于VVVF[1]的APU1和CVCF[1]的APU2而言，CN3-47、CN3-48腳短接則運(yùn)行于APU1的VVVF控制，斷開則運(yùn)行于APU2的CVCF控制，外圍的繼電器板也是一樣的結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)的好處在于，首先節(jié)省了開發(fā)成本，使用單位可以集中儲(chǔ)備配件，其次可維護(hù)性好，任意對(duì)調(diào)APU間以及同一APU內(nèi)整流/逆變間的控制板，然后改變跳線，就能快速排查控制板，提高處理故障的效率。

圖5 HXD3C機(jī)車APU1控制單元與TCMS部分硬件控制結(jié)構(gòu)

3 機(jī)車故障的定位

3.1 輔助變流器的故障定位

通過對(duì)2.1和2.2小節(jié)HXD3C機(jī)車APU故障數(shù)據(jù)產(chǎn)生機(jī)制的分析，以及圖2和圖3故障特征數(shù)據(jù)的解析，可以排除直流電容器失效引起的過電壓，及充電限流電阻熔結(jié)短路造成的過電流，因?yàn)閮蓮垐D中故障APU和正常APU充電電壓曲線完全一致，再結(jié)合圖4和圖5的HXD3C機(jī)車APU的硬件結(jié)構(gòu)及其TCMS軟件邏輯控制部分原理，我們也可以排除故障APU逆變部分存在故障的可能性，因?yàn)楣收螦PU的整流部分故障后，APU的逆變部分根本沒有起動(dòng)，因此可以將故障范圍縮小至APU的整流部分。

通過分析圖2(b)，發(fā)現(xiàn)故障APU起動(dòng)過程中，輸入電壓與電流存在反相有悖常理，因?yàn)檎髌髌饎?dòng)瞬間，牽引變壓器輔助繞組AC 400 V單相輸出，僅僅是通過限流電阻進(jìn)行橋式整流向電容充電，輸入電流與電壓理論上雖有相位差，但在直流支撐電容沒有儲(chǔ)能的情況下，通電一瞬間電容實(shí)際是短路的，回路成近似純阻性[2]，不可能存在180°的反向，于是對(duì)調(diào)APU的整流部分控制板，但故障依舊，因此將故障點(diǎn)定位在圖6(a)所示HXD3C機(jī)車APU結(jié)構(gòu)示意圖中整流部分的輸入電流傳感器ACCT、電壓變換器VDT及其相關(guān)接線等位置，在上述位置采集到圖6(b)、(c)所示故障和正常狀態(tài)下的輸入電壓和電流波形，圖6(b)清楚的顯示了APU整流起動(dòng)瞬間，存在一個(gè)明顯的與輸入電壓同相的輸入過電流，需要澄清的是，這與圖2(b)顯示的反向并不矛盾，因?yàn)閳D2(b)的ntr模擬量記錄的輸入電壓是經(jīng)過高壓柜電壓互感器、主變流柜電壓變換器VDT、APU整流控制單元模擬處理電路以及軟件處理等層層變換后得到的，ntr模擬量記錄的輸入電壓與電流是控制運(yùn)算中最真實(shí)的信息，如果以圖6(a)正常狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)測(cè)輸入電壓與電流180°反相，則圖6(b)所示的同相正好印證了圖2(b)中真實(shí)輸入電流的反相故障特性。

需要注意的是四象限脈沖整流器的輸入電壓和電流在電動(dòng)狀態(tài)下是同相位的，只有在再生制動(dòng)時(shí)，電壓電流成反相[2-7]，這在主變流器是可以出現(xiàn)的，但對(duì)輔助變流器，各輔機(jī)均工作在電動(dòng)狀態(tài)，故不可能出現(xiàn)APU輸入電壓與電流反相的情況，更不可能在APU起動(dòng)一瞬間中間支撐電容儲(chǔ)能為零的情況下出現(xiàn)。

將故障范圍縮小至電流傳感器ACCT、電壓變換器VDT及其相關(guān)接線，首先對(duì)調(diào)了考慮到該機(jī)車由于高壓部件損壞后更換過電壓互感器，懷疑副端接線反相，導(dǎo)致APU1故障，但很快想到，如果互感器副邊接線出錯(cuò)，使用互感器副邊AC 100 V輸出作為同步信號(hào)的主變流器以及APU2也會(huì)故障；單獨(dú)檢查APU1的VDT是否同名端接反，但檢查后完全正常，并與APU2的VDT對(duì)調(diào)，APU1故障依舊，繼續(xù)檢查ACCT，經(jīng)與APU2對(duì)調(diào)后，APU1還是無法啟動(dòng)，至此輔助變流器內(nèi)部可以懷疑的部件已經(jīng)全部排除，檢查圖6(a)中的581/582大線是否會(huì)接錯(cuò)，經(jīng)掀開過道地板，仔細(xì)檢查牽引變壓器的581/582大線緊固螺桿，從檢修者視角無法發(fā)現(xiàn)581/582大線的標(biāo)記，于是拆下581/582大線，在一定視角下發(fā)現(xiàn)581/582的標(biāo)記，確認(rèn)先前兩根大線確實(shí)接反，經(jīng)聯(lián)系變壓器維保廠家，證實(shí)高壓電氣設(shè)備故障恢復(fù)時(shí)，確實(shí)有拆卸過牽引變壓器的繞組，于是重新給581/582大線標(biāo)記顯眼的線號(hào)標(biāo)識(shí)，并安裝至正確的接線固定螺桿，但很快發(fā)現(xiàn)：首先安裝時(shí)如果不做額外標(biāo)識(shí)，從檢修者的視角根本無法區(qū)分兩根大線，其次在無法區(qū)分581/582大線時(shí)，兩根線到輔助變流器輸入端的長(zhǎng)度反而錯(cuò)裝時(shí)更便于安裝，正確安裝時(shí)，一根線因?yàn)殚L(zhǎng)度不夠卻較為吃力。

圖6 HXD3C機(jī)車APU1控制單元與TCMS部分硬件控制結(jié)構(gòu)

3.2 輔助變流器的隱性故障

將大線恢復(fù)后，再次升弓合主斷，APU1與APU2貌似都正常起動(dòng)，KM12正常閉合，但遲遲沒有聽到KM11動(dòng)靜，不久KM20閉合，但卻沒有如先前一樣發(fā)生跳主斷 ，微機(jī)屏也沒有報(bào)出先前的APU1相關(guān)故障，點(diǎn)擊微機(jī)屏的蓄電池信息，發(fā)現(xiàn)APU1的直流輸出電壓穩(wěn)定在750 V左右，這說明APU1的整流部分故障已經(jīng)恢復(fù)，根據(jù)圖5分析可知，KM11沒有吸合，要么APU1的逆變控制板沒有給TCMS輸出READY信號(hào)，要么給TCMS輸入了FAULT信號(hào)，既然微機(jī)屏沒有顯示任何故障，則FAULT與FAULT1信號(hào)不存在，唯一的可能是TCMS沒有接收到APU1逆變控制板的READY信號(hào)，在確認(rèn)APU1至TCMS的READY線無虛接、對(duì)調(diào)APU1/APU2逆變控制板部分故障未轉(zhuǎn)移的前提下，將故障再次定位至APU1整流與逆變控制板之間的繼電器板RY-U1以及APU1逆變控制板的輸出繼電器板RY-U2。前者給APU1逆變控制板保護(hù)信號(hào)和逆變板起動(dòng)信號(hào)等，后者給TCMS發(fā)出APU保護(hù)和KM11起動(dòng)信號(hào)等，當(dāng)檢查至RY-U2時(shí)發(fā)現(xiàn)PCB板上的一條敷銅線燒損，逆向查找此線走向，確定是此板RY8繼電器相關(guān)回路，而RY8正是APU1逆變控制板向TCMS發(fā)出READY信號(hào)的隔離繼電器，其原理如圖7所示。

圖7 APU與TCMS間的繼電器隔離線路

圖7中，TCMS和APU均使用單獨(dú)的電源隔離模塊將110 V控制電壓變換成各自獨(dú)立的24 V電源，再依靠110 V高低電平信號(hào)在兩者間傳遞開關(guān)量信號(hào)，從而保證了系統(tǒng)的可靠性以及TCMS與APU的安全，此例中也正是由于RY8相關(guān)線路的燒損，APU1與TCMS間的110 V開關(guān)信號(hào)中斷，這樣TCMS的KM11閉合控制邏輯條件不滿足，KM11也就無法啟動(dòng)了。

值得一提的是，以往APU1啟動(dòng)后，KM11不閉合在微機(jī)屏報(bào)出KM11相關(guān)故障，是基于圖5中493線已經(jīng)發(fā)出高電平閉合KM11指令，而KM11不閉合其反饋指令遲遲不能被TCMS檢知使然，此次原因在于TCMS未發(fā)出493高電平閉合KM11指令，那么也無所謂KM11是否閉合了。

更換RY-U2繼電器板，再次升弓合主斷，APU1與APU2同時(shí)啟動(dòng)，且KM11、KM12閉合良好，在微機(jī)屏APU界面可以確定APU1/APU2輸出電壓、電流和頻率完全正常，至此一起較為復(fù)雜的HXD3C機(jī)車輔助變流器復(fù)合型故障得以排除。

4 總束語(yǔ)

通過對(duì)故障的排查過程，也給相關(guān)機(jī)車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造企業(yè)提出以下建議:

(1) 大線纜應(yīng)進(jìn)行防錯(cuò)接標(biāo)識(shí)，避免錯(cuò)接。

(2) 大線纜長(zhǎng)度設(shè)計(jì)應(yīng)符合現(xiàn)場(chǎng)檢修作業(yè)要求，減少檢修作業(yè)中的難度。

(3) 提供一定的技術(shù)資料，方便機(jī)務(wù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員及時(shí)掌握相關(guān)技術(shù)原理，提高故障處置能力。

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