更換輔助功率模塊過程中降低成本的方法研究

唐超

摘 要：隨著CRH5型車輔變故障的日益增多，輔助功率模塊的更換越來越多，而輔助變流器中的功率模塊造價高，一個返修件成本也在50萬以上，因此如何降低成本就成了一個值得人們深思的問題，文章對此進行了研究。

關(guān)鍵詞：功率模塊；動車組；維修

1 概況簡述

2016年哈爾濱動車段數(shù)據(jù)分析室因無法恢復(fù)的輔助變流器故障共更換輔助功率模塊11個。其中7個發(fā)生故障的輔助功率模塊的故障數(shù)據(jù)為高壓濾波器永久故障，3個為斬波無反饋或斬波輸入過大，還有1個是逆變T相無指令。

每個新造輔助功率模塊的價格在168萬以上，返廠修的價格為新造價格的1/3，其價格昂貴，是動車組換修件中最為昂貴的高價件。

2 輔助變流器簡介及功率模塊原理簡析

CRH5型動車組輔助變流器將牽引變流器DC3600 V的中間直流電壓變換成AC380 V后，為空氣壓縮機、冷卻通風(fēng)機、油泵/水泵電機、空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)、采暖、照明、旅客信息系統(tǒng)等設(shè)備提供電源。

輔助系統(tǒng)供電輸出品質(zhì)符合EN50155等標準。各種制式的供電系統(tǒng)均有各自獨立的可靠的安全接地措施。

輔助供電電源系統(tǒng)采用冗余設(shè)計，當發(fā)生故障時，能夠進行切換，確保列車正常運行。在1臺或2臺輔助變流器故障的情況下，可以不受任何限制地向輔助負載供電。

輔助變流器從牽引變流器的中間直流環(huán)節(jié)獲得DC3200—3600 V的電壓，通過KAUX高壓隔離開關(guān)進入到輔助功率模塊，功率模塊內(nèi)部經(jīng)過斬波、降壓、整流、逆變，調(diào)制出3項AC400 V交流電，再通過3項電容組濾波、TV380電壓傳感器檢測，之后閉合KTLU接觸器將3項AC400 V交流電向輔助變流器外部輸出。

一個輔助變流器（CH-INV AUX），帶600 A和1 200 A IGBT，給組件輔助服務(wù)供電，400 Vac-50 Hz，輔助變流器從中間濾波器獲得能量，通過2個斬波器和1個高頻耦合變壓器，電壓水平提供給輔助逆變器，提供400 Vac給輔助服務(wù)。

LC型的輸入濾波器，通過絕緣開關(guān)KAUX與平行的中間牽引過濾器直接連接，牽引逆變器和組成一個200 H感應(yīng)圈（LAUX）和4 160 F電容器（CAI11，CAI12，CAI21和CAI22）。

3 監(jiān)控輸入濾波器的電壓

確定TVAUXIN2 輸入濾波器的電壓平衡、節(jié)斬波器的負載周期，以保證逆變器的輸入為590 Vdc，TVAUX2IN電壓傳感器執(zhí)行任務(wù)：監(jiān)控斬波器2的電壓以確定濾波器電壓平衡。

TACH1和TACH2電流傳感器執(zhí)行以下任務(wù)：監(jiān)控輸入濾波器的輸出電壓值，萬一出現(xiàn)短路或過電壓，確保電壓對斬波器故障預(yù)防起保護作用。

輔助變流器第一級由兩個高頻（4 kHz）下降斬波器組成，斬波器的主要任務(wù)是：

600 Vdc輸入電壓由輔助變流器轉(zhuǎn)換，保證輸入電壓和輔助逆變器之間的電絕緣，電壓由放在當中的頻率變壓器（TR1-TR2）供應(yīng)，斬波器輸出級用8個高頻二極管由2個單相整流器橋和一個LC型的中間濾波器，組成一個1mH感應(yīng)器（LAUC）和一個980 F電容器（CADC），在工作頻率（8kHz）成倍下降斬波器頻率，TVOUTCH電壓傳感器監(jiān)控中間濾波器的電壓，使用斬波器1和2的反饋調(diào)節(jié)電壓至590 Vdc，如圖1所示，TVOUTCH電流傳感器監(jiān)控逆變器的輸入電流，萬一出現(xiàn)短路或過電壓，確保電流保護。3項輔助逆變器級運用195 0 Hz開關(guān)頻率的PWM技術(shù)，由3倍IGBT和相關(guān)的防并行二極管組成；每個雙倍IGBT由三相系統(tǒng)的分支組成。

輔助變流器的主要任務(wù)是將輸入直接電壓（600 Vdc）轉(zhuǎn)換成三相+中性400 Vac—50 Hz系統(tǒng)電壓提供給中壓使用。

LC型的三相輸出濾波器限制輸出電壓諧波發(fā)散，這樣的濾波器由感應(yīng)器LU1，LU2和LU3和三相電容器CU1，CU2和CU3組成。

TARAUX，TASAUX和TATAUX電流傳感器監(jiān)控在逆變器每個輸出相位的輸出電流，在短路或過電壓的情況下確保電流保護。

如果三相線出故障，遠程控制開關(guān)（TLU）對輔助逆變器起絕緣作用。

4 具體方案

下面我根據(jù)ACU不同的故障數(shù)據(jù)，分類闡述了更換輔助功率模塊的可能的優(yōu)化方案。

4.1 高壓濾波器故障

此時ACU數(shù)據(jù)會報出DETLA HV 。原理分析：功率模塊內(nèi)兩個TV傳感器檢測電壓，兩個TV電壓傳感器檢測到的關(guān)系是： TV1<2TV2+150 V屬于正常范圍，TV1>2TV2-250 V則超出范圍，此時ACU數(shù)據(jù)報高壓濾波器故障。因此根據(jù)分析可以得出，當TV1或者TV2故障時會造成功率模塊故障，并報出數(shù)據(jù)高壓濾波器故障、高壓濾波器永久故障。但是報高壓濾波故障不只是由于TV1TV2故障引起，還可由其他原因引起，因此，也會存在更換TV1TV2后故障現(xiàn)象無法消除。

更換步驟建議：（1）TV1正常數(shù)值在3 200左右，TV2正常數(shù)值在1 600左右，當TV1報出6 000 V時更換TV1，當TV2報出2 000 V時同時更換TV1和TV2，如圖2所示。（2）有電試車，若故障消除可進行運行觀察，未消除則繼續(xù)更換輔助功率模塊。

4.2 斬波無反饋或斬波輸入過大

原理：斬波無反饋是因為斬波驅(qū)動板未接收到反饋信號。斬波輸入過大則是因為電流傳感器檢測到的電流大于1 250 A或者是驅(qū)動板故障。

因此根據(jù)以上分析可以得出，斬波驅(qū)動板故障會導(dǎo)致功率模塊故障并報出數(shù)據(jù)斬波無反饋或者斬波輸入電流過大。但是功率模塊斬波故障并不一定是由斬波驅(qū)動板故障導(dǎo)致，還可能有其他原因，因此，只能說報出斬波故障數(shù)據(jù)時是斬波驅(qū)動板故障的可能性較高，并不絕對。

更換步驟建議：（1）蓄電池狀態(tài)檢查斬波驅(qū)動板指示燈狀態(tài)。（2）若燈不亮，更換斬波驅(qū)動板，有電試車。（3）若故障不消除再進行更換功率模塊。如圖3所示。

4.3 成功案例

以上兩種更換方案，筆者在本職工作中都有過成功的案例。首先，2015年3月4日502001車報高壓濾波，TV1數(shù)值6 000 V，TV2數(shù)值1 500 V，判斷為TV1故障，更換TV1后故障消除，其次，2015年12月30日515807車更換功率模塊后報斬波無反饋，檢查發(fā)現(xiàn)斬波驅(qū)動板控制燈未得電，更換斬波驅(qū)動板后故障消除。根據(jù)安全性分析，CRH5型動車組發(fā)生一個輔助變流器故障時，動車組會自動進行中壓擴展，車載用電設(shè)備不會受到任何影響。當一個輔助變流器故障時，動車組運行時的安全性不受任何影響。因此，當運用本文中新的方案代替更換整個功率模塊時，即使未能及時消除故障，也不影響動車組運行。

在更換時使用的工具簡單，不會對功率模塊其他零部件造成損壞，且電路板之間均為插頭連接，不會對電路造成短路、接地等影響。

5 經(jīng)濟成本分析

動車段采購輔助功率模塊為高價件1 680 000/個，而僅僅由于模塊中的某個故障發(fā)生時，我們就要為整個模塊簽單，在特定的故障中，通過更換TV1/TV2、斬波驅(qū)動板就能避免更換整個輔助功率。但目前由于輔助功率模塊技術(shù)資料的缺乏，只能通過現(xiàn)場實踐的方式進一步研究。相信隨著對輔助功率模塊的深入研究，人們將能做到單獨從廠家購進某個部件，從而大大減少經(jīng)費開支，每年預(yù)計可節(jié)約經(jīng)費1 500萬以上。

[參考文獻]

[1]侯躍文. CRH5型動車組機械師[M].北京：中國鐵道出版社，2015.