HXD3C型電力機車牽引電機轉速傳感器故障對主功率單元的影響

劉應軍，廖永衡

（1 廣州鐵路（集團）公司機務處，廣東廣州510088；2 廣州鐵路（集團）公司廣州機務段，廣東廣州510031）

運用與維修

HXD3C型電力機車牽引電機轉速傳感器故障對主功率單元的影響

劉應軍1，廖永衡2

（1 廣州鐵路（集團）公司機務處，廣東廣州510088；2 廣州鐵路（集團）公司廣州機務段，廣東廣州510031）

介紹了HXD3C型機車的特點及其在廣州機務段的使用情況，對其C4修后的線上運行過程中頻繁出現的與轉速信號異常有關的CI慣性故障進行了歸納，針對此類故障，分析了HXD3C型機車牽引傳動系統尤其是傳動控制級——CI變流器控制原理和控制目標，并推導了異步牽引電機的矩速自然特性和閉環控制特性，基于對異步牽引電機轉速、轉差頻率與定子同步速在轉子磁場定向中的互相關性分析，定性剖析了轉速信號在轉子磁場位置估算中的作用，指出轉速信號中斷導致轉子磁場定向失誤，生成錯誤定子參考電壓矢量是造成此類CI慣性故障的主要原因，并提出了一系列改進措施，提高轉速信號的穩定性。

HXD3C型電力機車；CI慣性故障；矩速特性；轉子磁場定向；定子參考電壓矢量

廣州機務段作為華南地區最大的客運機務段，主要擔當南京廣線和西滬昆線部分管內直通旅客列車的牽引任務，南京廣線運行密度大臨時機外多，西滬昆線縱斷面復雜、兩者又有曲線半徑小、地質災害多，線路整治臨時限速多等不利因素，以往采用SS8型電力機車難以保證列車正點率，因此廣州機務段2011年初配屬HXD3C型客運機車，擔當客三速度標尺的旅客列車牽引任務，與SS8型機車相比，HXD3C型機車牽引性能優勢明顯，如圖1所示。

圖1 HXD3C與SS8機車牽引1 100 t25G客車平道加速至120 km／h性能比較

起動階段單軸牽引力大，相同牽引定數時，加速度快，平道牽引1 100 t 25G客車至客三標尺限速，僅需運行2個區間約120 s；而SS8機車需要4～5個區間約5 min；調速階段持續速度低，僅為65 km／h，在80～90 km／h限速的小半徑曲線區段，機車仍能充分利用設計功率；按最高速運行時，仍舊具備較大的剩余加速度，此外交流傳動機車網側功率因數高、入段整備時間短、修程作業機車檢修量小、發生故障具備自我診斷與數據存儲、可靠性更高即使切除一架動力仍可正常運用，尤其適合長交路運行，深受機務整備、檢修、運用乘務員和機調員的歡迎。

然而自2015年初以來，廣州機務段所配屬HXD3C型機車經過兩年的運用，已開始陸續進入2年檢（C4）甚至C5修程，以往承擔總體檢修任務以及部件維保的廠家也發生變化，部分機車主變流柜、轉向架、輪對驅動裝置經過大拆大解后，總體質量水平有所波動，除去踏面損傷這類頑疾，尤其以電器類故障占據了臨修件數的絕大份額。

1 HXD3C機車主變流器CI重復故障的梳理

本文剔除外部客觀因素因素所導致的故障案例，匯集2015年初以來典型的電器類故障如圖2所示。

圖2所示故障統計中，除CI故障外，其他故障多可采用圖紙換件、查閱故障代碼，在行修班組排除故障，但唯獨主變流器CI故障，除了4起明顯因控制變壓器燒損、冷卻液泄漏和內部IGBT功率器件炸裂損壞外，其余均為出廠回段整治后，上線很短時間，即頻繁出現與CI自動隔離、跳主斷、某軸牽引電流異常等有關的線上故障甚至機破，擾亂了鐵路運輸秩序，如表1所示。

圖2 2015年廣州機務段HXD3C機車電器類典型故障匯總（截至11月26日）

表1 HXD3C機車CI慣性故障匯總

上述機故障車中較為典型的故障案例有：

983＃機車牽引列車起動后，機車縱向晃動嚴重，司機誤認為走行部故障，請求更換機車導致機破；423＃機車完成修程作業后，單獨第6軸動車時不動，這兩者屬于死故障，只不過983＃機車，出段掛車時，隨機隔離了4個軸（故障軸剛好在此之列），因此出段過程一直正常，而當6個軸全部投入牽引列車達到一定速度時，故障軸引起機車晃動，在故障機車回段走行過程中，發現為第4輪對及其懸掛裝置的垂向大幅振動；423＃機車則是因為輪對臨修作業，更換了第6軸輪對驅動裝置，技術專業工程師專門安排試驗此軸性能，才發現問題，倘若按照以往交車驗收作業標準，段內動車并不單獨試驗某軸且走車速度低，亦無發現此故障軸的可能，一旦上線牽引又將是983＃機車機破的翻版。

另一類相關故障為活故障，例如388＃（長沙段支配）、532＃和716＃機車，高速運行時，自動隔離CI或跳主斷，線上小復位有時可恢復，事后查閱機車日志與微機屏故障記錄，也僅有乘務員關于某軸電流異常、跳主斷或者自動隔離某軸的記錄，詢問乘務員也是不可言狀，庫內故障軸單獨動車也正常，考慮到HXD3C型機車為軸控，可靠性高，檢查主斷及其控制本身正常，調換相鄰CI控制單元體后繼續放車跟蹤，故障具有重復性。

直到梳理714＃和722＃機車的故障：廠家僅僅更換714＃機車1軸牽引電機速度傳感器線纜與車體的連接航空插頭后，經過長期跟蹤考察，此類故障就此消失；722＃機車則是微機屏報3軸速度異常，在此故障信息引導下，發現該軸轉速傳感器線纜航空插頭彈簧卡口未擰到位，內部插針虛接，于是將后續出現此類故障的532＃、716＃機車，也做相同部位的檢查，均發現有航空插頭插針輕微縮針或針頭氧化的現象，修復后亦無此類重復故障。而先前處理的983＃機車則是由東芝更換了CI控制單元中處理牽引電機速度信號的DIP20板；423＃機車第6軸電機轉速信號插頭插針已完全縮入，故兩者為死故障。

對兩類故障現象進行總結，可以得到以下規律：

（1）CI控制單元轉速處理板卡故障、轉速線路航空插頭插針完全縮針，相當于轉速信號傳輸通路完全切斷，使得故障動力軸無法單獨起動或者當動力軸全部投入起動時，故障軸導致整車低頻抖動。

（2）電機轉速信號線路航空插頭輕微縮針或插針氧化，靜止或低速運行時機車完全正常，高速運行時機車振動導致信號通路時斷時通，故障軸牽引電機電流波動，CI自動隔離或微機發出跳主斷指令。

上述CI慣性故障的處理中，均使用東芝分析軟件下載故障數據進行分析，但由于數據存儲機制的限制，未保存故障點時刻關鍵數據，因此只能從HXD3C型機車的牽引傳動控制系統的基本控制原理著手，進行故障的分析。

2 HXD3C機車牽引傳動系統概述

HXD3C型機車采用了列車控制級、機車控制級和傳動控制級［2］，三級牽引傳動控制結構，分別實現機車間重聯控制，內部邏輯控制與保護和異步牽引電機控制，三級控制結構間通過總線通信交換信息，HXD3C型機車牽引傳動控制系統采用了HDLC列車總線和RS485機車總線，輔之以IO硬連線，與目前世界鐵路聯盟提倡的列車WTB、機車MVB通用總線不兼容，如圖3所示。

2.1 HXD3C機車傳動控制級中CI的作用

在HXD3C型機車中，傳動控制級就是CI及其控制單元，TCMS作為機車控制級核心采集司控器級位給定和車軸轉速，根據機車牽引特性生成轉矩指令，在外部各種安全邏輯條件滿足的情況下，通過RS485總線向CI發出轉矩指令，驅動機車運行，同時CI利用RS485總線向TCMS返回當前牽引電機電流和故障信息，并在HMI界面顯示。

圖3 HXD3C機車的牽引傳動控制系統

CI是網側變流器（Converter）、電機側逆變器（Inverter）、中間直流環節（DC-Link）及其控制系統的合并簡稱，從能量流的角度考慮，接觸網與牽引電機間時刻在進行能量轉換。當機車處于牽引工況，電機側變流器不斷從中間直流環節吸取能量，拉低直流電壓，網側變流器及時從接觸網獲取能量，維持直流電壓恒定，當機車處于再生制動狀態，電機動能通過電機側變流器不斷涌向中間直流環節，直流電壓抬升，網側變流器及時向接觸網反饋能量，抑制抬升，中間直流環節的支撐電容可以延緩直流電壓的降低與抬升，對兩者交換的能量進行緩沖與平撫；過壓斬波電路可以泄放由于網側變流器故障或者不能及時向接觸網回饋能量時，不斷從電機側變流器奔涌而來的能量。

2.2 對CI的性能要求

網側功率因數高、維持直流電壓恒定是對CI的首要要求，機務運用作為機車的直接使用者，更為關心的是，電機側變流器控制要求［2］：

（1）控制牽引電機的轉矩，要求穩態誤差小，避免較大脈動，動態響應迅速，隨時應對輪－軌阻力變化。

（2）控制牽引電機的電流，既能充分發揮其效能，又不至于使電機過載發熱。

（3）控制牽引電機的定子磁場，盡量減少畸變，進而減少諧波損耗及諧波轉矩。

（4）控制逆變器的開關頻率，使其工作于安全范圍內。

尤其是第（1）點：機車牽引電機能夠隨時隨地響應司控器手柄輸出強勁的牽引轉矩，轉換成輪周牽引力克服各種運行阻力，且牽引力輸出平穩，不至于引起列車的沖動影響舒適感。

2.3 異步牽引電機轉矩的產生及其變頻矩速特性

圖4是簡化的異步電機三相定子繞組和鼠籠轉子結構示意，右側是部分放大：

圖4 異步電機三相定子繞組和鼠籠轉子結構示意

當給三相定子繞組通入一定電氣同步速度ωs的三相交流電壓矢量u→s時，定子將產生相對靜止坐標系逆時針旋轉的定子磁場矢量ψ→s，它與靜止的轉子鼠籠導條間還產生角速度為ωsl的相對運動，因此鼠籠導條切割ψ→s產生轉子感應電流矢量i→r，它一方面生成轉子磁場矢量ψ→r，同時處于ψ→s中的通電導條以電機軸為軸心，產生電磁轉矩Te，它克服軸阻力矩，驅動轉子開始以ωr逆時針旋轉，可用式（1）表示［9］：

式（1）中np、Ls、Lr和Lm均為電機已知常量，θ為定、轉子磁鏈矢量夾角，ωs、ωsl和ωr之間的關系可用式（2）表示：

當異步電機驅動負載起動一瞬間ωr＝0、ωsl＝ωs，帶負載穩定運行后，ωr必定小于ωs，ωsl＞0，當且僅當，異步電機被負力矩拖拽再生發電時，才有ωr＞ωs，此時ωsl＜0，這樣就給出HXD3C型機車YJ85A1異步牽引電機一定電壓幅值|u→s|和ωs（50 Hz）時，ωr從0起動至2倍ωs的矩速特性曲線（電機輸出轉矩與轉速的關系），如圖5中右下角小圖所示（根據永濟新時速提供的YJ85A1異步牽引電機型式試驗，利用Matlab軟件迭代計算完成）：

圖5 HXD3C機車異步牽引電機的矩速特性及變頻調速下生成的矩速特性曲線簇

2.4 異步牽引電機牽引特性的選取

異步電機雖在寬廣的速度范圍內均有轉矩輸出，卻只在最大和最小輸出轉矩的近似線性范圍內電機才具有較高的效率，對于異步牽引電機這類大型電機，還受過載倍數限制，不可直接起動，可使用范圍更窄，又受起動電流倍數的限制，一起動就必須工作在此范圍內［10］，再綜合鐵路機車持續速度內恒轉矩起動，持續速度外恒功率調速的牽引特性要求［3］，圖5異步牽引電機固有矩速曲線基礎上，增加了牽引特性外包線（由HXD3C機車牽引與制動特性換算），形成圖6所示HXD3C機車異步牽引電機牽引特性曲線（簇）。

對于大功率異步牽引電機，其轉子電氣時間常數達數百毫秒遠大于定子電氣時間常數，因此一個CI控制單元的控制周期ts（u s級）內，||視為常量，而||在一定ωr下已按恒定控制處理，結合式（1）、式（2）只要在牽引外包線范圍內平穩的控制ωsl，使定轉子磁場矢量間的夾角θ增增減減，就能實現對Te的近似線性控制，外包線范圍越寬，同一速度點能發揮的最大牽引力越大，但外包線受牽引電機散熱的限制，因為外包線越飽滿，沿外包線加速時異步牽引電機ωsl越大，銅耗越大；其次受輪軌黏著力限制，輸出過大轉矩引起空轉或滑行；再次受牽引逆變器IGBT通態電流及溫升限制，否則大電流會損壞逆變器；最后受轉矩倍數限制，YJ85A1異步牽引電機最高轉速點的牽引外包線幾乎和最大轉矩重合，如圖6中的d點，如果再提升可能落入轉矩顛覆區。

圖6 HXD3C機車異步牽引電機的閉環控制牽引特性曲線簇

3 轉速信號在異步牽引電機的閉環牽引特性控制中的重要性

牽引外特性的選取固定了各速度點能發揮最大牽引力，也就限制了機車恒流起動過程中的電流大小，保證了機車電氣傳動設備的安全，但要實現上述目標必須使用異步牽引電機交流調速控制策略，主要有轉差頻率控制、磁場定向控制和直接轉矩控制［2］，雖然各種控制策略名稱迥異、復雜程度不一、具體實現各異，但都殊途同歸：通過調節ωsl控制Te。對于轉差頻率控制、磁場定向控制而言，需要通過電流環間接完成對ωsl的調節，間接控制Te，Te響應較慢；對于直接轉矩控制，直接利用定子電壓調節ωsl，Te響應迅速，日本多采用糅合轉差頻率控制與磁場定向控制的間接轉子磁場定向控制，例如HITACHI的新干線動車，而TOSHIBA的EF510型機車（HXD3C機車原型），除了籠統的提及PWM矢量控制，并無詳細案例介紹，僅從該國技術的簡單實用性判斷，應該也采用了類似的方案，如圖7所示。

圖7中陰影B部分就是HXD3C機車傳動控制級CI中的電機側變流器控制單元所要計算完成的異步電機間接轉子磁場定向控制框圖，所謂轉子磁場定向控制，必須以當前時刻轉子磁場定向準確為前提，即通過測量的定子電流矢量i→s和ωr，再利用圖7中①、②、③、④等模塊算出當前時刻轉子磁場矢量ψ→r在圖4中的位置角φ和大小||，如果轉子磁場定向不準確，例如計算||偏大或偏小，則在相同ωsl下，式（1）計算的Te與電機實際輸出轉矩相比將偏小或偏大，但這尚且是量的差異；但如果位置角φ不準確，則式（1）中的sinθ改變的不僅是大小，甚至可能是質的翻轉：

圖7 HXD3C機車異步牽引電機的閉環控制框圖

圖8 異步電機定、轉子磁場位置對轉矩的影響

4 HXD3C機車CI慣性故障的理論還原

通過以上對HXD3C機車牽引傳動系統以及異步牽引電機控制的詳細分析，為牽引電機轉速信號異常導致的CI慣性故障分析定位提供了理論依據，因此可以對第1節中兩類故障的發生過程進行還原：

（1）983＃機車CI控制箱DIP20插件板器件板卡損壞失效；423＃機車在更換輪對驅動裝置過程中，作業失誤導致轉速信號航空插頭公頭縮針，兩者轉速信號完全中斷。當兩臺機車在上線運行，司控器手柄離開零位一瞬間，直流電壓建立，6個CI先向異步牽引電機輸出一固定脈沖電壓，建立定子磁場，然后輸出初始頻率為0.9 Hz的變頻電壓，電壓大小由當前司機手柄級位決定，牽引電機開始產生電磁轉矩，轉速信號通道正常的5個CI開始將轉速反饋信號納入閉環控制，進行VVVF調速，整車開始起動，而轉速信號切斷的CI，認為當前轉子仍靜止，仍輸出一固定電壓矢量，但由于其他5個正常軸的拖動，故障軸轉子鼠籠導條不斷切割定子磁力線，做電阻制動運行，因此故障軸的牽引電流與其他5軸差異明顯，且電阻制動轉矩隨著速度增加而增加，故障軸的反扭矩使轉向架發生低頻振動，最終TCMS通過檢測各CI傳送的電機轉速差異，發現故障軸并作出提示，但在此之前司乘人員已經發覺機車異樣，提前回司控器手柄；而兩臺機車在庫內單獨故障軸動車時，由于故障CI一直未檢測到速度，所以始終發出固定脈沖電壓，因而微機顯示屏一直顯示穩定的牽引電流，但機車紋絲不動，又因其他CI已經處于隔離狀態，故又不作出任何速度異常提示。

（2）對于388＃這類牽引電機轉速信號傳輸線纜航空插頭輕微縮針或插針氧化的活故障，則需借助圖9加以說明：

圖9中，假設司控器級位置11級，對應目標速度110 km／h（輪對踏面直徑1250 mm，換算電機軸轉速2 430 r／min），此時各牽引電機穩定運行于a特性曲線對應的a負載點（速度109 km／h，電機軸轉速2410 r／min），電流均一致，在此速度下又恰逢列車上坡，運行阻力大于a點牽引力，速度下降，TCMS根據LKJ速度反饋環和牽引特性，增加了CI轉矩給定，這樣各CI將不斷增加轉差頻率ωsl以增加牽引電機的轉矩輸出，最終牽引電機在b特性曲線對應的b負載點（速度106 km／h，電機軸轉速2 360 r／min），與此時列車阻力平衡，速度重新穩定，對于其他5個正常CI都使牽引電機順利的過渡到b點，而存在轉速信號故障隱患的軸，由于各種振動，其轉速反饋信號突變為0，故障CI在此假信號誤導下，計算出錯誤的u*s，使該軸牽引電機由a特性曲線的a點，過渡到c特性曲線對應的c點，而c特性曲線的定子頻率正是機車起動瞬間所對應的0.9 Hz，此時故障軸進入再生制動，且如第2.5小節所述，c點并不在異步牽引電機牽引外包線范圍內的近似線性段上，處于異步電機矩速特性的不穩定區，此時映入司乘人員眼簾的是微機顯示屏上故障軸電流的劇烈波動，劇烈的電流波動將引起中間直流環節能量的異常流動，CI自我保護，自動隔離或者引發跳主斷，而當信號又恢復正常，司機再次恢復CI后，故障亦不再重復。

圖9 HXD3C機車異步牽引電機控制外特性

5 結論與建議

電機轉速信號對使用磁場定向控制策略的異步牽引電機影響巨大，它是磁場位置估算的基礎，錯誤的轉速信息將使牽引電機輸出轉矩失控，對齒輪箱等機械部件產生損傷，同時也使CI逆變裝置處于極不穩定的狀態，而電機轉速傳感器，由于其特殊的安裝位置和廠家質保方式，在機務段的修程作業時難以顧及，其次HXD3C機車牽引電機轉速傳感器與車體連接線纜柔性差、長度余量少，對于同一轉向架的1、3牽引電機在通過小半徑曲線時與車體的回轉空間大，較硬的線纜頻繁拖拽破壞航空插頭，此外由于HXD3C機車踏面損耗較為嚴重，頻繁更換輪對驅動裝置過程中，往往只重視對三根牽引大線的緊固和檢查，對待轉速信號航空插頭一推了事，不夠細致往往造成彎針和縮針，因此建議：

（1）修程作業加強對此航空插頭的卡口檢查，安裝過程務求細致謹慎。

（2）在進廠修更換較為柔軟且有較長余量的連接線纜，將航空插頭的沿軌道平行布置變為橫向布置。

（3）修改程序，TCMS也應將LKJ車速送入CI，使CI具備自我剔除錯誤電機轉速信號的能力。

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Influence of Traction Motor Speed Sensor Failure on Main Power Unit of HXD3C AC Drive Locomotive

LIU Yingjun1，LIAO Yongheng2
（1 Locomotive Department，Guangzhou Railway（Group）Corporation，Guangzhou 510088 Guangdong，China；2 Guangzhou Locomotive Depot，Guangzhou Railway（Group）Corporation，Guangzhou 510031 Guangdong，China）

The features of HXD3C AC drive locomotive and its application in Guangzhou Locomotive Department are introduced，and the CI inertia faults related to rotational speed signal frequently happened after C4 repair process are induced.Aiming at these faults，this paper analyzes the control theory and control target of traction system，and deduces the nature torque-speed characteristic and close-loop control characteristic.Based on the cross-correlation analysis of asynchronous traction motor speed，slip frequency and stator synchronous speed，the effect of rotational speed in rotor flux calculation is qualitatively analyzed.The result shows that the error of rotational speed signal which leads to the wrong rotor flux field oriented and generates the error stator reference voltage vector is the main cause of these inertia faults.The improvements are proposed to improve the stability of rotational speed signal.

HXD3C locomotive；CI inertia fault；torque-speed characteristic curve；rotor flux field oriented；stator reference voltage

U264.1

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.17

1008－7842（2016）06－0065－07

3—）男，工程師（

2016－05－31）