動(dòng)車(chē)組直流變換器的可靠性提升優(yōu)化方法

李富平　高盤(pán)龍

（1.中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司鐵路客車(chē)業(yè)務(wù)部，130062，長(zhǎng)春；2.烏魯木齊鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，830011，烏魯木齊∥第一作者，工程師）

直流變換器作為動(dòng)車(chē)組車(chē)載運(yùn)行控制系統(tǒng)的供電電源，若發(fā)生故障，則會(huì)造成動(dòng)車(chē)組的車(chē)載信號(hào)設(shè)備失電，引發(fā)動(dòng)車(chē)組自動(dòng)緊急制動(dòng)，且短時(shí)間內(nèi)無(wú)法修復(fù)，對(duì)動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行秩序造成較大影響。因此，優(yōu)化直流變換器的工作邏輯，有效降低故障率，保證動(dòng)車(chē)組的正常運(yùn)行顯得尤為重要。

直流變換器作為一種電子元器件，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中不可避免地會(huì)出現(xiàn)元器件老化、工作狀態(tài)不穩(wěn)定的情況。為此，本文結(jié)合動(dòng)車(chē)組運(yùn)行中出現(xiàn)的真實(shí)故障情況，分析DC24 V/DC 110V直流變換器存在的問(wèn)題，制定了以下3方面的優(yōu)化方案：

（1）工況優(yōu)化：直流變換器使用3個(gè)子模塊同時(shí)工作可延長(zhǎng)使用壽命。

（2）檢修修程優(yōu)化：根據(jù)使用壽命，運(yùn)行120萬(wàn)km后對(duì)直流變換器的電源模塊絕緣、耐壓性及電容值進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不合格的元件進(jìn)行更換，保證直流變換器的工作穩(wěn)定和可靠性。

（3）隱性故障診斷：在車(chē)載數(shù)據(jù)中增加隱性故障診斷邏輯，保證任一子模塊發(fā)生故障時(shí)，數(shù)據(jù)均可被記錄，以便提前發(fā)現(xiàn)隱性故障并盡早處理。

1　直流變換器工作原理

DC24 V/DC110 V直流變換器功能是把DC24 V直流電轉(zhuǎn)換為DC110 V直流電，以滿足信號(hào)設(shè)備使用的電壓等級(jí)，向相應(yīng)車(chē)載設(shè)備提供電源。

1.1　直流變換器結(jié)構(gòu)

DC24 V/DC110 V直流變換器的連續(xù)功率為2 kW，由3個(gè)獨(dú)立的單機(jī)子模塊組成，正常狀態(tài)下隨機(jī)啟動(dòng)2個(gè)子模塊工作，每個(gè)子模塊都能提供至少1 kW的持續(xù)功率，另一個(gè)子模塊處于備用狀態(tài)。當(dāng)其中1個(gè)子模塊故障時(shí)，備用子模塊自動(dòng)投入運(yùn)行。單機(jī)子模塊采用兩級(jí)變換技術(shù)，前級(jí)采用交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路，后級(jí)為交錯(cuò)并聯(lián)雙管正激電路。整個(gè)模塊體積小、質(zhì)量輕、效率高，并且內(nèi)部配備多重保護(hù)，可靠性高。

每個(gè)單機(jī)子模塊面板設(shè)有輸入正常指示綠燈、工作正常指示綠燈、故障指示紅燈、備用綠燈及測(cè)試端子，信號(hào)端設(shè)有1組無(wú)源常開(kāi)觸點(diǎn)，具體說(shuō)明見(jiàn)表1。

1.2　直流變換器主要技術(shù)參數(shù)

為研究直流變換器發(fā)生故障的具體原因，需對(duì)直流變換器內(nèi)部元件的性能進(jìn)行詳細(xì)分析，其內(nèi)部元件的主要技術(shù)參數(shù)如下。

（1）額定功率：額定輸出功率為3 kW。

（2）輸入電壓：額定輸入電壓為DC24 V；工作電壓范圍為DC16.8～36.0 V；耐受電壓范圍為DC0～40 V。

（3）輸出特性：輸出電壓為DC110 V；輸出電壓波動(dòng)＜±5%；輸出電壓紋波系數(shù)＜3 V；輸出限流為（27±3）A。

（4）絕緣與耐壓：①絕緣電阻測(cè)試值，輸入端對(duì)外殼為DC500 V、兆歐表值≥20 MΩ，輸出端對(duì)外殼為DC500 V、兆歐表值≥20 MΩ；②耐壓介電測(cè)試值，輸入端對(duì)外殼為AC1 000 V/50 Hz/1 min、無(wú)擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象、漏電流≤20 mA，輸出端對(duì)外殼為AC1 000 V/50 Hz/1 min、無(wú)擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象、漏電流≤20 mA，輸入端對(duì)輸出端為DC1 000 V/50 Hz/1 min、無(wú)擊穿或閃絡(luò)現(xiàn)象、漏電流≤20 mA。

2　直流變換器故障檢測(cè)

為研究直流變換器發(fā)生故障的原因，需對(duì)發(fā)生故障的直流變換器進(jìn)行回收，并進(jìn)行地面測(cè)試。

案例：將已發(fā)生故障的5臺(tái)直流變換器在地面進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，4臺(tái)直流變換器的單機(jī)子模塊CPU控制板上有電阻燒壞，1臺(tái)Boost電路控制板松脫，具體情況見(jiàn)表2。

3　直流變換器故障分析

3.1　運(yùn)行環(huán)境分析

通過(guò)對(duì)案例中5臺(tái)直流變換器的使用時(shí)間及運(yùn)行里程分析發(fā)現(xiàn)，損壞的直流變換器在線運(yùn)行均已經(jīng)超過(guò)5年，所在的動(dòng)車(chē)組累積運(yùn)行均超過(guò)120萬(wàn)km。

表2　動(dòng)車(chē)組直流變換器故障檢測(cè)及維修案例

結(jié)合動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)間及公里數(shù)推斷，直流變換器工作狀態(tài)異常并造成動(dòng)車(chē)組運(yùn)行故障與時(shí)間及公里數(shù)存在一定的關(guān)聯(lián)性。對(duì)于常規(guī)的電子元器件而言，都會(huì)不可避免地出現(xiàn)老化現(xiàn)象，其失效率會(huì)隨著時(shí)間和使用環(huán)境的變化而逐步增加。

3.2　測(cè)試數(shù)據(jù)分析

單機(jī)子模塊CPU控制板上電阻的損壞，是由于直流變換器為強(qiáng)迫風(fēng)冷，當(dāng)冷卻風(fēng)扇發(fā)生故障時(shí)，直流變換器的工作環(huán)境溫度會(huì)升高，而長(zhǎng)時(shí)間高溫會(huì)加速元器件的老化與損壞。因此，在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行公里數(shù)達(dá)到120萬(wàn)km時(shí)，需對(duì)直流變換器的單機(jī)子模塊的絕緣、耐壓及電容值進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量不合格的模塊進(jìn)行更換，以便有效地保證直流變換器的工作穩(wěn)定與可靠。

4　直流變換器可靠性優(yōu)化

4.1　工況優(yōu)化

4.1.1現(xiàn)有工作邏輯

DC24 V/DC110 V直流變換器正常工作時(shí)，2個(gè)單機(jī)子模塊工作，1個(gè)單機(jī)子模塊待機(jī)。當(dāng)其中1個(gè)工作子模塊故障時(shí)，待機(jī)的子模塊自動(dòng)激活，投入到工作狀態(tài)。這種工作邏輯中，工作的2個(gè)子模塊始終在工作，待機(jī)的子模塊始終在待機(jī)。電源模塊本身不具備選擇切換功能，也不能人為選擇哪個(gè)子模塊工作、哪個(gè)子模塊待機(jī)。

4.1.2工作邏輯優(yōu)化

采用3個(gè)單機(jī)子模塊同時(shí)工作，共同承擔(dān)2 kW負(fù)載功率需求。當(dāng)1個(gè)子模塊故障時(shí)，另2個(gè)子模塊可以正常工作，提供2 kW負(fù)載功率需求。

4.1.3兩種工作邏輯對(duì)比分析

（1）熱損耗對(duì)比。每個(gè)單機(jī)子模塊單獨(dú)100%負(fù)載工作的效率為80%，66%負(fù)載工作的效率為76%。

輸出熱損耗計(jì)算公式如下：

式中：

P0——單個(gè)子模塊的輸出功率；

η——效率；

N——工作的子模塊數(shù)；

Q——整個(gè)子模塊的熱損耗。

2個(gè)子模塊同時(shí)工作、1個(gè)子模塊待機(jī)的熱損耗是Q1，3個(gè)子模塊同時(shí)工作的熱損耗是Q2，兩者的

損耗差為λ。由式（1）可得

λ=Q2-Q1=132 W

計(jì)算結(jié)果顯示，3個(gè)子模塊同時(shí)工作模式比2個(gè)子模塊同時(shí)工作、1個(gè)子模塊待機(jī)的工作模式熱損耗多132 W。

（2）使用壽命對(duì)比。當(dāng)直流變換器承擔(dān)2 kW的負(fù)載時(shí)，如果只有2個(gè)子模塊在工作，則每個(gè)子模塊各承擔(dān)1 kW的負(fù)載。單個(gè)子模塊帶負(fù)載越大，其本身消耗的功率就越大，發(fā)熱也越大，溫度就越高，而半導(dǎo)體或電解電容等電子元器件發(fā)熱溫度越高，其壽命就越短。如果3個(gè)子模塊同時(shí)工作，2 kW的負(fù)載分配在3個(gè)單機(jī)子模塊上，每個(gè)子模塊負(fù)載變小，發(fā)熱減少，壽命延長(zhǎng)。

（3）子模塊故障時(shí)對(duì)比。對(duì)于2個(gè)子模塊工作、1個(gè)子模塊待機(jī)的工作模式，當(dāng)有1個(gè)子模塊發(fā)生故障時(shí)，需要啟用待機(jī)子模塊。在子模塊切換時(shí)會(huì)引起模塊輸入、輸出電壓的波動(dòng)，容易對(duì)電器造成影響，穩(wěn)定性下降。而3個(gè)子模塊同時(shí)工作模式時(shí)，一般不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)子模塊輸出突然變大，造成過(guò)流損壞的情況。當(dāng)某個(gè)子模塊出現(xiàn)故障時(shí)，另外2個(gè)子模塊依然可以穩(wěn)定工作。

（4）結(jié)果對(duì)比。根據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)子模塊同時(shí)工作雖然熱損耗要比2個(gè)子模塊工作、1個(gè)子模塊待機(jī)多，但卻在使用壽命及故障處理方式上有一定優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)表3）。

表3　單機(jī)子模塊工作模式對(duì)比

4.2　診斷數(shù)據(jù)優(yōu)化

通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采集并檢測(cè)直流變換器單機(jī)子模塊的狀態(tài)，提前判斷3個(gè)單機(jī)子模塊中可能出現(xiàn)異常的模塊，發(fā)現(xiàn)故障模塊及時(shí)更換，以便有效降低動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化后的狀態(tài)檢測(cè)電路圖及數(shù)據(jù)記錄診斷如圖1所示。

圖1　直接變換器狀態(tài)檢測(cè)電路原理圖及診斷數(shù)據(jù)

根據(jù)圖1所示，在單機(jī)子模塊無(wú)故障的情況下，C/CA及C/CB電路檢測(cè)到模塊工作正常；如果C/CA及C/CB電路檢測(cè)到模塊工作異常，則在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中記錄為“ATP供電電源模塊X故障”隱性故障，以便可以提前分析和預(yù)判各子模塊狀態(tài)，避免動(dòng)車(chē)組帶病上線。

4.3　檢修修程優(yōu)化

通過(guò)對(duì)故障直流變換器的運(yùn)行環(huán)境及測(cè)試數(shù)據(jù)分析，可知損壞的直接變換器在線運(yùn)行均超過(guò)5年，所在動(dòng)車(chē)組累積運(yùn)行均超過(guò)120萬(wàn)km，同時(shí)直流變換器長(zhǎng)時(shí)間在高溫和振動(dòng)工況下工作，加速了子模塊元器件的老化，進(jìn)而縮短了直流變換器的使用壽命。因此，在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行公里數(shù)達(dá)到120萬(wàn)km時(shí)，需要對(duì)直流變換器子模塊的絕緣、耐壓及電容值進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量不合格的模塊進(jìn)行更換，以便有效保證直流變換器的工作穩(wěn)定性與可靠性。

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)可靠性優(yōu)化后的DC24 V/DC110 V直流變換器工作情況跟蹤顯示，裝有優(yōu)化后直流變換器的動(dòng)車(chē)組運(yùn)行兩年以來(lái)，在線運(yùn)行中未出現(xiàn)直流變換器故障的問(wèn)題：而未經(jīng)工況優(yōu)化及檢修的直流變換器，通過(guò)隱性故障分析發(fā)現(xiàn)有安全隱患3起，均通過(guò)診斷數(shù)據(jù)優(yōu)化進(jìn)行了隱性故障處理。

根據(jù)直流變換器運(yùn)行情況分析，采用上述3種方式對(duì)直流變換器進(jìn)行綜合壽命管理與可靠性提升，能夠有效降低直流變換器在線運(yùn)行中的故障率，提高車(chē)載信號(hào)設(shè)備和控制設(shè)備的安全性，保證動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行可靠性。

［1］張曙光.CRH5型動(dòng)車(chē)組［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

［2］VINCENTI M.DC-DC converter 24 V DC/110 V DC EMU for MOR-CA250[R].Savigliano：Alstom Ferroviaria，2007.