HXD3機(jī)車APU故障原因分析及措施

張寶凱

(沈陽鐵路局 蘇家屯機(jī)務(wù)段,遼寧沈陽110101)

自2009年10月～2010年 4月期間,連續(xù)有10余臺HXD3機(jī)車出現(xiàn)APU故障,造成機(jī)車輔助供電出現(xiàn)問題,TCMS顯示故障現(xiàn)象是APU門極異常,為此專門就該問題進(jìn)行調(diào)查,查找故障原因,發(fā)現(xiàn)主要是APU逆變單元體出現(xiàn)問題。

1 故障原因調(diào)查

能夠造成APU逆變單元體故障的部位主要有5個處所,如圖1階段APU門極工作原理圖所示。分別是AVR4(Ⅰ),IGBT(Ⅱ),GDC114-LO門極基板(Ⅲ),DET-51基板(Ⅳ),APU-CTR(Ⅴ)等 5個部位,各部位功能及影響如下。

圖1 APU門極工作原理圖

(1)AVR4是給APU和IGBT門極電路板提供控制電源的單元體,如果出現(xiàn)問題,可能導(dǎo)致控制電壓低,導(dǎo)致門電路電源低下,造成逆變單元異常。

(2)IGBT是APU逆變器中的變流模塊,如果IGBT在運(yùn)用過程中出現(xiàn)任何異常,都會導(dǎo)致APU逆變器異常。

(3)GDC114-LO基板是為APU逆變單元IGBT開放、關(guān)閉提供控制信號的基板,如果基板出現(xiàn)異常也會導(dǎo)致APU逆變單元異常。

(4)DET-51基板是負(fù)責(zé)門電路基板與控制單元體中間通信用基板,如果此基板異常,APU逆變單元也會出現(xiàn)異常。

(5)APU-CTR控制單元體是輔助供電系統(tǒng)工作的控制中心,如果控制單元自身電路或者軟件出現(xiàn)異常,也會造成逆變單元出現(xiàn)異常。

2 故障原因查找

針對以上能夠引起APU逆變單元體故障處所進(jìn)行故障查找,AVR4可以使用萬能表直接通過測量輸入輸出電壓值來檢測是否正常;IGBT可以通過外觀檢查是否正常,如果IGBT本身質(zhì)量問題,會出現(xiàn)內(nèi)部燒損變形或裂損現(xiàn)象,來判斷是否正常;APU-CTR控制單元體出現(xiàn)故障可以通過重新灌裝程序或整體更換單元體來檢測是否正常;GDC114-LO基板和DET-51基板是信號轉(zhuǎn)換電路板,無法直接從外觀檢查是否異常,只能通過替換相關(guān)基板來檢測判斷其是否正常。通過上述故障調(diào)查,將更換后的基板進(jìn)行檢測以及對已發(fā)生故障機(jī)車更換部件統(tǒng)計(jì),發(fā)現(xiàn)更換GDC114-LO基板24塊,由此可以得出GDC114-LO基板是造成近期APU故障的主要原因。

3 GDC114-LO基板工作原理

該基板是控制APU逆變單元體IGBT門極開關(guān)的電路板,具體控制原理是當(dāng)APU控制單元體發(fā)出門信號指令(以一條通道為例),基板G1A與P15接口構(gòu)成發(fā)出指令回路,發(fā)出脈沖低電平信號,通過光電耦合器形成光信號,光信號又經(jīng)過光電耦合器轉(zhuǎn)換成高電平發(fā)送到IGBT,IGBT接到開或關(guān)高電平信號,同時發(fā)出反饋信號,又通過光電耦合器完成電—光—電轉(zhuǎn)換成低電平反饋到APU控制單元體,APU控制程序?qū)Πl(fā)出和反饋的脈沖信號進(jìn)行運(yùn)算比較,判斷IGBT開關(guān)是否正常。

4 故障基板檢測結(jié)果

為了對GDC114-LO基板工作情況做進(jìn)一步的了解和分析,對從故障機(jī)車解體回來的基板進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖2所示。編號為E004950414基板,通過檢測該基板的兩個通道,發(fā)現(xiàn)該基板接收到APU發(fā)出的脈沖信號在兩個IGBT門極GA-EA、GB-EB之間測得的脈沖信號是正常的,但是在從兩個 IGBT反饋到APU控制單元的脈沖信號,在兩個通道中,BA-F15通道檢測的脈沖信號是不正常的,但另一通道BB-F15檢測的脈沖信號是正常的。同樣測得編號為E004950446基板,發(fā)現(xiàn)該基板的BA-F15通道檢測的脈沖信號是正常的,而另一通道BB-F15檢測的脈沖信號是不正常的。

通過圖2檢測結(jié)果可以得出,能夠造成該型號基板故障問題的處所可能為出現(xiàn)在光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),為此對故障電路板的光電耦合器進(jìn)行拆解,同時也對新電路板的光電耦合器進(jìn)行拆解,分別進(jìn)行測試,測試結(jié)果如圖3所示,(a)是正常光電耦合器的波形,(b)是故障耦合器的波形,由此可以看出,電路板通道存在的問題是由于光電耦合器質(zhì)量問題造成的。

圖2 光電回路檢測波形

5 光電耦合器的簡單介紹

5.1 光電耦合器原理

光電耦合器是一種發(fā)光器件和光敏器件組成的光電器件。它能實(shí)現(xiàn)電—光—電信號的變換,并且輸入信號與輸出信號是隔離的。目前極多數(shù)的光電耦合器輸入部分采用砷化鎵紅外發(fā)光二極管,輸出部分采用硅光電二極管、硅光電三極管及光觸發(fā)可控硅。這是因?yàn)榉逯挡ㄩL900～940 nm的砷化鎵紅外發(fā)光二極管能與硅光電器件的響應(yīng)峰值波長相吻合,可獲得較高的信號傳輸效率,光電耦合器的主要功能是防止電路一側(cè)出現(xiàn)過高的電壓,或快速變化的電壓損壞元器件或影響另一側(cè)的傳輸。具體方法是使需要的信號以光學(xué)的形式通過,同時在兩個系統(tǒng)之間保持電性隔離。基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 光電耦合器性能測試對比圖

圖4 光電耦合器基本結(jié)構(gòu)

5.2 光電耦合器特點(diǎn)及應(yīng)用范圍

光電耦合器的主要特點(diǎn)是輸入與輸出之間絕緣(絕緣電壓可達(dá)數(shù)千伏);信號傳輸為單方向,輸出信號不會對輸入信號有影響;能傳輸模擬信號也可傳輸數(shù)字信號;抗干擾能力強(qiáng);體積小、壽命長;由于無觸頭,因此抗振性強(qiáng)。近年來由于生產(chǎn)工藝改進(jìn),SMT(電子貼片技術(shù))的發(fā)展,開發(fā)出性能更好、尺寸更小的貼片式光電耦合器,它由DIP6管腳封裝改進(jìn)成4管腳封裝,不僅改小尺寸,并且減小了干擾,它主要應(yīng)用于隔離電路、開關(guān)電路、邏輯電路、信號長線傳輸、線性放大電路、隔離反饋電路、控制電路及電平轉(zhuǎn)換電路等,其重要參數(shù)是電流傳輸比(CTR),即在一定工作條件下(IF及VCE),光電耦合器的輸出電流Ic與輸入電流IF的比值,一般用百分比表示,其值低的從幾到幾十,高的從幾十到幾百,有的可達(dá)上千。電流傳輸比CTR越大,則在同樣的 IF下,輸出電流Ic大,驅(qū)動負(fù)載的能力也強(qiáng)(或者說IF較小可獲得大的Ic),HXD3機(jī)車APU門極電路板光電耦合器采用的形式就是電平轉(zhuǎn)換電路。

6 采取措施

針對APU逆變單元體門極基板光電耦合器存在的批次質(zhì)量問題,而且已經(jīng)裝車到機(jī)務(wù)段運(yùn)行,要求供方立即采取措施,進(jìn)行補(bǔ)救。

6.1 做好問題基板的統(tǒng)計(jì)

通過組裝記錄查對以及裝車情況,批號0834～0911的基板分布在沈陽鐵路局的情況如表1所示,不良光電耦合器數(shù)量360個,其中APU整流單元體有144個,逆變單元體有216個,盡管整流單元體暫時沒有發(fā)生問題,但同樣工藝制作,也存在風(fēng)險(xiǎn)和隱患,也作為問題隱患進(jìn)行掌握。

表1 不良光電耦合器數(shù)量

6.2 確立改進(jìn)方案

要求相關(guān)單位制定出具體的更改換方案。①整流單元體和逆變單元體每種型號至少在機(jī)務(wù)段要有5塊基板作為備品周轉(zhuǎn)。②組織人員對更換回來的電路板盡快進(jìn)行兩種光電耦合器的更換,更換完畢的基板必須進(jìn)行測試且合格,方可出廠回段。③機(jī)務(wù)段技術(shù)科和工廠售后服務(wù)人員要隨時跟蹤更換完畢基板的機(jī)車運(yùn)用情況,防止再次出現(xiàn)問題。