BORDLINE CC400緊湊型變流器的原理分析及故障探究

楊建宇， 朱 波

(長春市軌道交通集團有限公司， 吉林長春 130012)

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BORDLINE CC400緊湊型變流器的原理分析及故障探究

楊建宇， 朱 波

(長春市軌道交通集團有限公司， 吉林長春 130012)

BORDLINE CC400緊湊型變流器是由ABB瑞士有限公司設計制造的緊湊式變流裝置，其防護等級為IP65，此變流器進行了模塊化設計，維護方便，通過專業的監控軟件可以對內部信號進行控制和數據分析。主要介紹BORDLINE CC400緊湊型變流器的工作原理，根據此型號變流器在輕軌車輛上運行幾年來實際出現的故障進行探討與研究。

緊湊型變流器； 模塊化設計； 原理； 故障

長春輕軌車輛由兩個動車模塊和一個拖車模塊編組而成，編組方式為Mc1+Tp+Mc2。車體采用鋁合金結構，由先進的液壓制動系統，電動塞拉門系統，BORDLINE CC400緊湊型變流器控制系統，空調機組，受電弓受流系統，車頭前端事故車鉤等單元機構構成。

BORDLINE CC400緊湊型變流器是由ABB瑞士有限公司設計制造的緊湊式變流裝置(圖1)，其防護等級為IP65，此變流器進行了模塊化設計，將高壓系統、牽引系統、輔助系統、冷卻系統集成為一體，維護方便，通過專業的監控軟件可以對內部信號進行控制和數據分析。

1 高壓系統簡介

高壓系統采用接觸網受流方式。受電弓安裝在拖車(Tp)上，DC 750 V高壓母線經拖車(Tp)上的高壓熔斷器，分別送到動車1(Mc1)和動車2(Mc2)的變流器箱內。每一牽引變流器經一個熔斷器、一個直流線斷路器(LCB)和一個電抗器(MSR1與MSR2模塊)，如圖1所示，與來自接觸網線的750 V直流電壓連接。用于車上電源與蓄電池充電(HSR模塊)的直流—直流輔助變流器經一個熔斷器、一個去耦扼流圈、一個保護二極管和一個預充電IGBT。

圖1 BORDLINE CC400原理圖

2 牽引系統簡介

牽引系統的基本任務就是把輸入的電能轉化成車輛的輪軸牽引力。該牽引變流器模塊(MSR)可以運行在四個象限(前進/后退以及牽引/制動)。頻率范圍從0到137 Hz。通過脈寬調制的方式控制牽引逆變器，調制頻率為2 kHz的常量。在制動方式中，制動能量經中間直流電路反饋至接觸網。制動斬波器的位置與牽引逆變器并聯。在無能量反饋至接觸網的情況下，制動斬波器限制中間直流電路的動態過電壓，并與外部制動電阻一起提供電制動功能。每一牽引變流器模塊可獨立運行，這樣在一個模塊出故障的情況下，變流器仍能以50%的功率輸出運行。

3 輔助系統簡介

輔助系統主要包括輔助變流器(HSR)、蓄電池、交流負載的配電保護、直流負載的配電保護、空調控制、照明控制、輔助變流器(HSR)故障時的擴展供電等。

輔助變流器(HSR)將直流回路電壓轉換為AC 380 V三相交流電和DC 24 V直流電。AC 380 V三相交流電為列車的交流負載供電；DC 24 V直流則提供直流母線電壓并且為蓄電池充電。

輔助變流器、充電機均與牽引變流器集成在一個箱內，并安裝在Mc1模塊和Mc2模塊上。正常情況下Mc1模塊的輔助變流器輸出的AC 380 V電源供給Mc1空調機組、電熱和Tp模塊的廢排風機，Mc2模塊輸出AC 380 V電源供給Mc2空調機組、電熱。當車輛的兩臺輔助變流器中有一個發生故障時，正常運行的那臺輔助變流器就會自動為故障端的交流負載提供電能。此時整車交流負載將減載運行。

在Mc1和Mc2模塊上各裝有1組少維護鎘鎳燒結式堿性蓄電池。兩組蓄電池的輸出端并聯在DC 24 V列車母線上。

4 牽引變流器

(1)BORDLINE CC400緊湊型變流器模塊化設計。圖2顯示BORDLINE CC400緊湊型變流器的主要模塊MSR、HSR/BL和HBU的位置。

圖2 BORDLINE CC400緊湊型變流器

(2) 牽引型變流器(MSR模塊)

MSR模塊主要由制動斬波單元、電容以及牽引逆變單元組成。

牽引電機由牽引逆變器所產生電壓與頻率均可變化的三相交流電來驅動。在四個象限都可以運行(前進/后退以及牽引/制動)。頻率范圍從0到137 Hz。

牽引逆變單元和制動斬波單元由大功率的IGBT模塊組成。它們通過脈寬調制的方式控制，調制頻率為2 kHz的常量。

在制動方式中，制動能量經中間直流電路反饋至接觸網。

制動斬波器的位置與牽引逆變器并聯。在無能量反饋至接觸網的情況下，制動斬波器將限制中間直流電路的動態過電壓，并與外部制動電阻一起提供電制動功能。

BORDLINE CC400緊湊型變流器包括兩個一樣的牽引變流器(模塊MSR1和MSR2)，每一牽引變流器模塊可獨立運行，這樣在一個模塊出故障的情況下，變流器仍能以50%的功率輸出運行。

這兩個變流器安裝在右側與左側絞鏈蓋下(關于位置見圖2)。每一牽引變流器由安裝在水冷式冷卻結構上的4個IGBT單元(3個牽引逆變器和1個制動斬波器)、4個相關的門驅動器、4個電流傳感器以及中間電路組成。中間電路的電容安裝在MSR模塊的下部，具體見圖3。

圖3 牽引變流器(MSR模塊)整體視圖

5 冷卻系統

BORDLINE CC400緊湊型變流器為水冷式。水-空氣熱交換器位于外部冷卻單元(HEX)內。

BORDLINE CC400緊湊型變流器裝備有一個用于主功率元件的水冷卻回路。在每一變流器外殼前面有一個外部熱交換器(HEX)(見圖4)。

主要分為水冷卻環路和空氣冷卻環路。

5.1 水冷卻主環路

水冷卻主環路如圖4所示。它負責牽引模塊和輔助功率模塊的冷卻。工作介質為蒸餾水和乙二醇的混合物，并添加有抑制劑以防止銹蝕(對于水和乙二醇質量的混合技術規范為46%:54%)。

5.2 封閉式空氣冷卻環路

除了水冷卻環路外，裝配有空氣-水熱交換器的一個封閉式強迫壓力空氣冷卻環路安裝在BORDLINE CC400緊湊式變流器中(見圖4)。該冷卻環路用于消散來自無源功率器件(例如電容器、電抗器、配線)以及控制電路的損耗產生的熱量。

圖4 冷卻回路

6 輔助變流器

(1) 輔助變流器(HSR模塊)位置(見圖2)，HSR模塊是一個獨立單元，它可獨立于MSR模塊進行操作。

BL模塊是一個DC-DC輔助變流器,它產生DC 24 V直流電，供給車上的直流負載并為蓄電池充電。

HSR模塊為HBU模塊提供600 V直流輸入電壓。

兩個直流—直流變流器都經變壓器進行電隔離，且都包括由牽引控制單元經門驅動器進行控制的IGBT模塊。由安裝在水冷式冷卻結構上的功率電子器件、相關的門驅動器、電流傳感器和中間電路組成。具體見圖5。

(2) 輔助電源變流器(HBU模塊)

HBU模塊位置(見圖2)。是由兩個DC-AC變流器(HBU1和HBU2)組成。它們是由牽引控制單元門驅動器進行控制的IGBT模塊。

HBU1用于列車的三相交流負載。

HBU2提供熱交換器冷卻風扇的三相交流電源。

車上交流電源變流器的輸出端接有一個正弦濾波器用來將400 V的交流輸出電壓變平滑，從而在輸出端得到正弦電壓。為熱交換器冷卻風扇的交流輸出端提供幅度與頻率可變的電壓，其控制取決于熱交換器中的溫度。

圖5 直流-直流變流器(HSR模塊)

HBU模塊是三相交流電源和三相交流冷卻風扇電源的直流-交流變流器，其由一個預充電的IGBT模塊和安裝在水冷式冷卻結構上的兩個功率電子器件、相關的門驅動器和中間電路組成。具體見圖6。

圖6 直流-交流變流器(HBU模塊)

以上是關于BORDLINE CC400緊湊型變流器的原理簡單分析，現根據工作中遇到的實際車輛故障進行如下排除。

7 故障探究

(1)故障1

MC1端牽引變流器液位報警故障的處理過程。

故障現象：

在對2019車調試過程中，網絡監控系統IDU顯示屏內顯示MC1端"牽引逆變器1報警"故障，故障寄存器2顯示故障代碼“32”的故障。其含義為：冷卻水位低導致報警。

處理措施：針對上述故障信息，我們根據牽引逆變器冷卻單元保護電路接線原理圖(圖7)先進行了原理分析，后采取了如下處理措施：

圖7 牽引逆變器冷卻單元保護電路接線原理圖

①更換MC1端牽引逆變器TCU控制板，更換后故障依然存在，故排除TCU控制板故障的情況。

②打開牽引逆變器冷卻單元內的接線箱，在接線端子上分辨出與報警(上)液位傳感器及警告(下)液位傳感器相連接的各控制導線，然后進行如下測試：

在冷卻單元接線箱端子的出線端將上液位傳感器信號線(第7點)與下液位傳感器信號線(第9點)對調，觀察IDU顯示屏故障依舊。

甩開第9點下液位傳感器信號線，將第7點上液位傳感器信號線分別接入端子拍第8，9，10點，IDU顯示屏除顯示上述故障信息外，同時新增加了"牽引逆變器1故障"的故障信息。

甩開第7點上液位傳感器信號線，將第9點下液位傳感器信號線分別接入第7，8，10點，IDU顯示屏顯示同樣的故障信息。

將第7點及第9點的傳感器信號線全部甩開不接入，IDU顯示屏新增加"牽引逆變器1故障"的故障信息。

此測試方法可初步認為上液位傳感器和下液位傳感器的輸出信號有所不同，原因是第7，9點的信號線對調后不能消除故障。

③將MC2車牽引逆變器TCU2控制板X104的第3點(液位報警信號輸入)信號線W624拆除，用一根導線的一端與W624連接，同時將這根導線的另一端接入MC1車牽引逆變器TCU1控制板的X104第3點(之前將該點的W624拆除)，然后給車組上電，觀察IDU顯示屏牽引逆變器1故障消除，但是牽引逆變器2發生了報警和寄存器2出現故障代碼“32”的故障，據此可判斷是牽引逆變器1冷卻單元“報警”液位傳感器故障。

此測試是利用牽引逆變器2冷卻單元正常的上液位傳感器的輸出信號提供TCU1控制板，通過測試結果可判斷被替換的液位傳感器的好壞。

④從其他牽引逆變器冷卻單元拆除一只上液位傳感器，將該傳感器探頭伸入裝滿水的礦泉水瓶，用膠帶對瓶口進行簡單密封不至于倒置時使瓶內的水流出。將該傳感器電源負線“蘭”接入牽引逆變器右側端子的第7點，正線“絳”接入第8點，將信號線"黑"用一根短導線連接并接入TCU1控制板的X104第3點，接入前拆除該點W624線。之后將裝有液位傳感器探頭的水瓶倒置，對車組上電，發現逆變器1“報警”故障及寄存器2故障代碼32消失，由此能證明該液位傳感器是好的，可以進行更換。

(2)故障2

MC1端牽引變流器速度信號異常的處理過程：

故障現象：2010號車在正線運營過程中，網絡監控系統IDU顯示屏內顯示MC1端"牽引逆變器1報警"故障，警告寄存器3顯示故障代碼"8"的故障，含義為：M1的電機速度信號不正常，由于牽引機的轉速不同步，導致電機異響及制動力減弱。

處理措施：針對上述故障信息，我們對2010號車MC1端電機1速度信號進行了監測，確實發現車輛在牽引或制動時第1位電機明顯快于第2位。

根據此故障現象我們采取了如下處理措施：

①更換了速度傳感器，故障仍然存在。

②更換了速度傳感器插頭，故障仍然存在。

③更換了BORDLINE CC400變流器的控制板，同時為了確認之前的軟件更新正確，重新更新軟件，但故障仍然存在。

④互換了控制器X10點上1位和2位的連接線(如圖8) 1、2位電機速度信號接線，但故障仍然存在于速度傳感器1。

圖8 1、2位電機速度信號接線

⑤用一根普通不帶屏蔽的線纜對從控制器X10 1/2/3/7點一直到速度傳感器插頭(見藍色框出部分)，見圖9一位電機速度信號接線，故障消失，但是當更換成原線纜中的備用線時，故障再次出現，因此懷疑變流器內部是否有問題。

圖9 一位電機速度信號接線

⑥當車輛不帶高壓用外力推車時速度信號正常，但是當車帶高壓駕駛時故障出現，有兩種可能：

a.速度傳感器信號在變流器開始工作時受到高壓的干擾。

b.BORDLINE CC400緊湊型變流器的控制器在開始工作時內部受到高壓的干擾。

⑦用示波器測量不同情況下速度傳感器的波形，分別見：圖10變流器帶高壓進行駕駛速度波形、圖11變流器不帶高壓用外力推車時速度波形。

圖10 變流器帶高壓進行駕駛速度波形

圖11 變流器不帶高壓用外力推車時速度波形

從圖10中可以明顯看出，信號受影響非常嚴重，我們在中間節點連接正常的情況下校驗了傳感器所有連接和屏蔽，一切正常，但是當所有連接分開、分段測量便發現從變流器箱體端部X7連接器到司機室內部屏蔽線沒有接地，打開此線兩端的插頭檢查，發現在X7端屏蔽線未做接殼連接(未接地)。見圖12 X7接線。

圖12 X7接線

(8)將屏蔽線接地后再用BORDLINE VIEW監控，速度信號恢復正常，通過示波器可以看出速度信號已經基本沒有了干擾，如圖13。

圖13 示波器測試

速度傳感器速度異常過快是由于屏蔽層未接地所導致，將屏蔽層按照要求接地后故障消失。

8 結束語

在介紹BORDLINE CC400緊湊型變流器原理基礎上，更深入的對實際車輛故障進行了剖析，根據發生不同的故障等級,對車輛在線運營帶來了不同層次的影響，從而增加了車輛在線運營延誤時間。

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[5] 鄧木生.電子技能訓練[M].北京：機械工業出版社，2002.

Principle Analysis and Fault Inquiry of BORDLINE CC400 Intensive Converter

YANGJianyu,ZHUBo

(Changchun Rail Traffic Group Co., Ltd., Changchun 130012 Jilin, China)

BORDLINE CC400 intensive converter is an intensive converter device designed and manufactured by ABB Switzerland Co., Ltd. The protection grade reaches IP65. This converter is modular design, convenient maintenance, and its internal signals' control and data analysis can be performed by professional monitoring software. This paper mainly introduces the working principle of BORDLINE CC400 intensive converter, explores and studies the faults of this converter running on light rail vehicles over the past few years.

intensive converter; modular design; principle; fault

1008-7842 (2015) 03-0105-05

??)男，工程師(

2014-11-03)

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.26