HXD3C型電力機車輔助變流器控制原理及其復合型故障分析

劉應軍， 廖永衡

(廣州鐵路(集團)公司 機務處， 廣州 510088)

廣州鐵路(集團)公司客運機車交路存在臨時機外多、線路整治臨時限速多、小半徑曲線限速低、縱斷面復雜等不利因素，這就要求機車具備較大的起動牽引力以適應頻繁快速啟動、較低的持續速度實現機車低速下全功率發揮、較高的剩余加速度滿足爬坡不掉速，以往使用SS8型電力機車牽引時，上述要求均不能滿足，正點率難以保證，而HXD3C型機車起動階段牽引力大加速快、調速階段持續速度低、剩余加速度大，此外交流傳動機車網側功率因數高、入段整備時間短、發生故障具備自我診斷與數據存儲、可靠性更高尤其適合長交路運行，為此廣鐵集團公司2011年初至今陸續配屬80臺HXD3C型機車取代SS8型機車擔當跨局直通旅客列車牽引任務，擔當區段最遠為廣州至貴陽/重慶。

然而HXD3C型機車在廣鐵集團經過4年的運用，已陸續經過C4甚至C5修程，因機車設計制造缺陷、技術資料匱乏及承修廠家在段人員實踐經驗不足，部分臨修機車經處理后出現故障擴大甚至長期趴窩現象，例如2015年底廣州機務段支配的718#機車，因故障處置時間過長，導致該機車未能正常參加春運，影響了機車正常周轉、增加了供車壓力。

1 機車故障過程

2015年12月26日718#機車在長沙站外換掛作業，乘務員執行換端操作，升弓一瞬間，高壓柜內發出巨響并伴隨火光，導致機破，事后查明故障系高壓柜內互感器端子對高壓母線電纜金屬屏蔽層放電擊穿所致，故障恢復過程涉及到牽引變壓器、高壓互感器、高壓隔離開關、主輔變流器、主斷路器等多個設備廠家的設備更換，一切設備恢復后再次升弓進行高壓試驗，發現輔助變流器1(APU1)故障，并伴隨跳主斷，TCMS微機屏顯示APU1整流過電壓，必須將APU1隔離，才能閉合主斷依靠APU2運行，聯想到控制電源PSU依靠APU的整流電壓斬波供電，機務段技術工程師利用TCMS子菜單中“蓄電池控制電源”顯示一欄，觀察PSU1的輸入直流，當再次單獨使用APU1時，閉合主斷一瞬間，PSU輸入直流電壓一度達到950 V遠超750 V的正常值，而單獨使用APU2時，PSU顯示輸入值為正常的750 V，由此可見APU1整流過電壓確實存在，隨即技術科工程師通知東芝售后進行處理。

2 機車故障數據的利用

2.1 輔助變流器的故障數據產生機制

東芝售后首先調閱APU1的LED燈顯記錄，確實有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整流器故障數據，如圖1所示。

圖1中東芝故障數據有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字開關量記錄兩個文件，東芝故障數據生成機制，采用無故障不記錄，有故障時分別記錄故障時刻(圖1中豎線對應0時刻)前后一定時間段的模擬數據和數字開關量記錄，其中ntr文件記錄時長0.4 s，保存10種模擬量且記錄較為精細(采樣周期2 ms)，lsr文件時長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，再結合ntr對故障微觀細節進行分析，文中由于版面需要，將ntr和lsr文件的關鍵模擬數據和開關量數據導入至excel表格，在同一版面顯示以方便分析，如圖2所示。

圖1 HXD3C0718機車的原始故障數據下載記錄

2.2 輔助變流器的故障數據分析

從圖2(a) lsr長期宏觀記錄可以大致分析HXD3C機車輔助變流器工作邏輯如下：a時刻主斷路器閉合后，產生VCBO(主斷路器閉合)信號，送至APU控制單元，經內部程序處理后輸出充電接觸器(AK)閉合指令，經一定延時，b時刻AK閉合APU整流器部分開始進行全橋整流給濾波電容充電，同時AK閉合反饋信號AKA反饋至APU控制單元，隨著直流濾波電容充電，至c時刻，當直流電壓上升至600 V左右時，APU控制單元發出AK釋放指令和K(短接接觸器) 閉合指令，經一定延時，d時刻K閉合反饋信號KA傳送至APU控制單元，于是APU整流部分開始進行四象限整流控制，直流電壓再次迅速上升，但由于系統存在故障，輸入電流瞬間突破1 300 A，直流電壓沒有在750 V左右維持穩定，而是涌至850 V左右，由于先觸發輸入過電流保護(ISOC)，APU控制單元發出釋放K指令，f時刻，K釋放，直流濾波電容開始自然泄放，從而保護APU安全。

圖3中利用數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起動過程中的直流電壓波形，(a)與(b)在起動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致的ISOC或FOCV故障，(a)與(b)的異同主要發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)的直流電壓發生較大的振蕩(圖中圓圈內所示)，且最大電壓達到了900 V以上，在APU自動隔離前，人為斷開主斷路器后，再次閉合，故障電壓波形重復出現，而(b)啟動后，直流電壓一直保持穩定在750 V 左右，直至KM11接觸器吸合，而(a)啟動過程中，KM11一直未吸合，而是閉合延長供電接觸器KM20，切換到APU2運行，最終APU1自動隔離，查閱TCMS與APU相關的邏輯控制框圖如下：

由圖4可知：當APU1和APU2完全正常，且司機沒有在微機屏進行隔離操作，則a=1和d=1，且APU1和2的逆變器準備就緒線(591和691)為高電平，則b=e=1，又a=d=1，經過(異2)門后，使(和9)門輸出0，則465號線輸出0，那么KM20不閉合，所以有c=0，c與e再經(和3)門輸出0，且c與b經(和6)門輸出0，兩者經過反相后，再通過(和4)與(和5)門分別與b、e進行與運算都輸出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，得出以下結論：當APU1存在故障或者司機隔離后，則KM11不閉合，KM12閉合，KM20延時2 s再閉合，KM12閉合信號與APU1故障信號反饋至APU2，APU2開始VVVF(變壓變頻)啟動，并最終維持CVCF(恒壓恒頻)運行；當APU2存在故障或司機隔離，則KM12不閉合，KM11閉合，KM20延時2 s后再閉合，KM11閉合信號與APU2故障信號反饋至APU1整理控制單元，APU1開始VVVF啟動，并最終維持CVCF運行，將圖4再結合HXD3C機車APU的控制單元結構，可以得到圖5所示：HXD3C機車的APU控制單元與TCMS部分硬件控制結構。

圖2 HXD3C0718機車主要故障數據記錄波形

圖3 HXD3C機車APU整流器啟動故障與正常時的中間直流電壓波形

圖4 HXD3C機車輔助變流器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的控制結構關系，對于本次故障而言，APU1的整流部分整流過電壓，通過圖中FAULT1向APU1的逆變部分發出保護信號，那么逆變部分就向TCMS發出FAULT信號，同時READY信號不構成，兩者經過TCMS中的控制邏輯處理后，KM11不吸合，那么逆變部分也不會開始VVVF起動；反之，如果APU1的逆變部分因過流、過壓、過熱等產生保護，一方面通過FAULT和READY信號通知TCMS觸發跳主斷或者斷開接觸器等保護動作，另一方面通過FAULT2信號反饋至APU1的整流部分，使整流器停止工作從源頭保護整個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構是完全一致的，將控制板的CN3-16、CN3-17兩個端子短接，將17腳接24 V地，則控制板內部運行整流控制算法，將16-17斷開，讓17腳懸空，則控制板內部運行逆變控制算法，對于運行于VVVF[1]的APU1和CVCF[1]的APU2而言，CN3-47、CN3-48腳短接則運行于APU1的VVVF控制，斷開則運行于APU2的CVCF控制，外圍的繼電器板也是一樣的結構，這樣設計的好處在于，首先節省了開發成本，使用單位可以集中儲備配件，其次可維護性好，任意對調APU間以及同一APU內整流/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機車APU1控制單元與TCMS部分硬件控制結構

3 機車故障的定位

3.1 輔助變流器的故障定位

通過對2.1和2.2小節HXD3C機車APU故障數據產生機制的分析，以及圖2和圖3故障特征數據的解析，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短路造成的過電流，因為兩張圖中故障APU和正常APU充電電壓曲線完全一致，再結合圖4和圖5的HXD3C機車APU的硬件結構及其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，因為故障APU的整流部分故障后，APU的逆變部分根本沒有起動，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)，發現故障APU起動過程中，輸入電壓與電流存在反相有悖常理，因為整流器起動瞬間，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能的情況下，通電一瞬間電容實際是短路的，回路成近似純阻性[2]，不可能存在180°的反向，于是對調APU的整流部分控制板，但故障依舊，因此將故障點定位在圖6(a)所示HXD3C機車APU結構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整流起動瞬間，存在一個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，因為圖2(b)的ntr模擬量記錄的輸入電壓是經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算中最真實的信息，如果以圖6(a)正常狀態為標準，實測輸入電壓與電流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狀態下是同相位的，只有在再生制動時，電壓電流成反相[2-7]，這在主變流器是可以出現的，但對輔助變流器，各輔機均工作在電動狀態，故不可能出現APU輸入電壓與電流反相的情況，更不可能在APU起動一瞬間中間支撐電容儲能為零的情況下出現。

將故障范圍縮小至電流傳感器ACCT、電壓變換器VDT及其相關接線，首先對調了考慮到該機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，導致APU1故障，但很快想到，如果互感器副邊接線出錯，使用互感器副邊AC 100 V輸出作為同步信號的主變流器以及APU2也會故障；單獨檢查APU1的VDT是否同名端接反，但檢查后完全正常，并與APU2的VDT對調，APU1故障依舊，繼續檢查ACCT，經與APU2對調后，APU1還是無法啟動，至此輔助變流器內部可以懷疑的部件已經全部排除，檢查圖6(a)中的581/582大線是否會接錯，經掀開過道地板，仔細檢查牽引變壓器的581/582大線緊固螺桿，從檢修者視角無法發現581/582大線的標記，于是拆下581/582大線，在一定視角下發現581/582的標記，確認先前兩根大線確實接反，經聯系變壓器維保廠家，證實高壓電氣設備故障恢復時，確實有拆卸過牽引變壓器的繞組，于是重新給581/582大線標記顯眼的線號標識，并安裝至正確的接線固定螺桿，但很快發現：首先安裝時如果不做額外標識，從檢修者的視角根本無法區分兩根大線，其次在無法區分581/582大線時，兩根線到輔助變流器輸入端的長度反而錯裝時更便于安裝，正確安裝時，一根線因為長度不夠卻較為吃力。

圖6 HXD3C機車APU1控制單元與TCMS部分硬件控制結構

3.2 輔助變流器的隱性故障

將大線恢復后，再次升弓合主斷，APU1與APU2貌似都正常起動，KM12正常閉合，但遲遲沒有聽到KM11動靜，不久KM20閉合，但卻沒有如先前一樣發生跳主斷 ，微機屏也沒有報出先前的APU1相關故障，點擊微機屏的蓄電池信息，發現APU1的直流輸出電壓穩定在750 V左右，這說明APU1的整流部分故障已經恢復，根據圖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，要么給TCMS輸入了FAULT信號，既然微機屏沒有顯示任何故障，則FAULT與FAULT1信號不存在，唯一的可能是TCMS沒有接收到APU1逆變控制板的READY信號，在確認APU1至TCMS的READY線無虛接、對調APU1/APU2逆變控制板部分故障未轉移的前提下，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逆變控制板保護信號和逆變板起動信號等，后者給TCMS發出APU保護和KM11起動信號等，當檢查至RY-U2時發現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繼電器相關回路，而RY8正是APU1逆變控制板向TCMS發出READY信號的隔離繼電器，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均使用單獨的電源隔離模塊將110 V控制電壓變換成各自獨立的24 V電源，再依靠110 V高低電平信號在兩者間傳遞開關量信號，從而保證了系統的可靠性以及TCMS與APU的安全，此例中也正是由于RY8相關線路的燒損，APU1與TCMS間的110 V開關信號中斷，這樣TCMS的KM11閉合控制邏輯條件不滿足，KM11也就無法啟動了。

值得一提的是，以往APU1啟動后，KM11不閉合在微機屏報出KM11相關故障，是基于圖5中493線已經發出高電平閉合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同時啟動，且KM11、KM12閉合良好，在微機屏APU界面可以確定APU1/APU2輸出電壓、電流和頻率完全正常，至此一起較為復雜的HXD3C機車輔助變流器復合型故障得以排除。

4 總束語

通過對故障的排查過程，也給相關機車設計、生產制造企業提出以下建議:

(1) 大線纜應進行防錯接標識，避免錯接。

(2) 大線纜長度設計應符合現場檢修作業要求，減少檢修作業中的難度。

(3) 提供一定的技術資料，方便機務現場技術人員及時掌握相關技術原理，提高故障處置能力。

[1] 沈本蔭.現代交流傳動及其控制系統[M].北京:中國鐵道出版社，2007.

[2] 馮曉云．電力牽引交流傳動及其控制系統[M].北京:高等教育出版社，2009.

[3] 宋文勝．電力牽引交流傳動控制與調制技術[M].北京:科學出版社，2014.

[4] 鄒仁．四象限變流器瞬態電流控制的仿真研究[J].機車電傳動,2003(6):17-20.

[5] 馬惠春．100 kW四象限變流器及其控制[J].機車電傳動,2005(4):27-29，35.

[6] 李偉，張黎．交-直-交傳動系統網側變流器預測電流控制方法的計算機仿真及實現[J].中國鐵道科學,2002,23(6):49-54.

[7] Holms G K，Chang C C，Chen C L．Analysis and Implementation ofa delay compensated deadbeat current controller for solar inverters[J].IEE Proceeding-Circuits Devices Systems,2001,148(5):279-286.