動車組直流變換器的可靠性提升優化方法

李富平　高盤龍

（1.中車長春軌道客車股份有限公司鐵路客車業務部，130062，長春；2.烏魯木齊鐵道職業技術學院，830011，烏魯木齊∥第一作者，工程師）

直流變換器作為動車組車載運行控制系統的供電電源，若發生故障，則會造成動車組的車載信號設備失電，引發動車組自動緊急制動，且短時間內無法修復，對動車組的運行秩序造成較大影響。因此，優化直流變換器的工作邏輯，有效降低故障率，保證動車組的正常運行顯得尤為重要。

直流變換器作為一種電子元器件，在長時間運行中不可避免地會出現元器件老化、工作狀態不穩定的情況。為此，本文結合動車組運行中出現的真實故障情況，分析DC24 V/DC 110V直流變換器存在的問題，制定了以下3方面的優化方案：

（1）工況優化：直流變換器使用3個子模塊同時工作可延長使用壽命。

（2）檢修修程優化：根據使用壽命，運行120萬km后對直流變換器的電源模塊絕緣、耐壓性及電容值進行檢測，對不合格的元件進行更換，保證直流變換器的工作穩定和可靠性。

（3）隱性故障診斷：在車載數據中增加隱性故障診斷邏輯，保證任一子模塊發生故障時，數據均可被記錄，以便提前發現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直流電轉換為DC110 V直流電，以滿足信號設備使用的電壓等級，向相應車載設備提供電源。

1.1　直流變換器結構

DC24 V/DC110 V直流變換器的連續功率為2 kW，由3個獨立的單機子模塊組成，正常狀態下隨機啟動2個子模塊工作，每個子模塊都能提供至少1 kW的持續功率，另一個子模塊處于備用狀態。當其中1個子模塊故障時，備用子模塊自動投入運行。單機子模塊采用兩級變換技術，前級采用交錯并聯Boost電路，后級為交錯并聯雙管正激電路。整個模塊體積小、質量輕、效率高，并且內部配備多重保護，可靠性高。

每個單機子模塊面板設有輸入正常指示綠燈、工作正常指示綠燈、故障指示紅燈、備用綠燈及測試端子，信號端設有1組無源常開觸點，具體說明見表1。

1.2　直流變換器主要技術參數

為研究直流變換器發生故障的具體原因，需對直流變換器內部元件的性能進行詳細分析，其內部元件的主要技術參數如下。

（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＜±5%；輸出電壓紋波系數＜3 V；輸出限流為（27±3）A。

（4）絕緣與耐壓：①絕緣電阻測試值，輸入端對外殼為DC500 V、兆歐表值≥20 MΩ，輸出端對外殼為DC500 V、兆歐表值≥20 MΩ；②耐壓介電測試值，輸入端對外殼為AC1 000 V/50 Hz/1 min、無擊穿或閃絡現象、漏電流≤20 mA，輸出端對外殼為AC1 000 V/50 Hz/1 min、無擊穿或閃絡現象、漏電流≤20 mA，輸入端對輸出端為DC1 000 V/50 Hz/1 min、無擊穿或閃絡現象、漏電流≤20 mA。

2　直流變換器故障檢測

為研究直流變換器發生故障的原因，需對發生故障的直流變換器進行回收，并進行地面測試。

案例：將已發生故障的5臺直流變換器在地面進行測試。測試結果顯示，4臺直流變換器的單機子模塊CPU控制板上有電阻燒壞，1臺Boost電路控制板松脫，具體情況見表2。

3　直流變換器故障分析

3.1　運行環境分析

通過對案例中5臺直流變換器的使用時間及運行里程分析發現，損壞的直流變換器在線運行均已經超過5年，所在的動車組累積運行均超過120萬km。

表2　動車組直流變換器故障檢測及維修案例

結合動車組運行時間及公里數推斷，直流變換器工作狀態異常并造成動車組運行故障與時間及公里數存在一定的關聯性。對于常規的電子元器件而言，都會不可避免地出現老化現象，其失效率會隨著時間和使用環境的變化而逐步增加。

3.2　測試數據分析

單機子模塊CPU控制板上電阻的損壞，是由于直流變換器為強迫風冷，當冷卻風扇發生故障時，直流變換器的工作環境溫度會升高，而長時間高溫會加速元器件的老化與損壞。因此，在動車組運行公里數達到120萬km時，需對直流變換器的單機子模塊的絕緣、耐壓及電容值進行測量，對測量不合格的模塊進行更換，以便有效地保證直流變換器的工作穩定與可靠。

4　直流變換器可靠性優化

4.1　工況優化

4.1.1現有工作邏輯

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

4.1.2工作邏輯優化

采用3個單機子模塊同時工作，共同承擔2 kW負載功率需求。當1個子模塊故障時，另2個子模塊可以正常工作，提供2 kW負載功率需求。

4.1.3兩種工作邏輯對比分析

（1）熱損耗對比。每個單機子模塊單獨100%負載工作的效率為80%，66%負載工作的效率為76%。

輸出熱損耗計算公式如下：

式中：

P0——單個子模塊的輸出功率；

η——效率；

N——工作的子模塊數；

Q——整個子模塊的熱損耗。

2個子模塊同時工作、1個子模塊待機的熱損耗是Q1，3個子模塊同時工作的熱損耗是Q2，兩者的

損耗差為λ。由式（1）可得

λ=Q2-Q1=132 W

計算結果顯示，3個子模塊同時工作模式比2個子模塊同時工作、1個子模塊待機的工作模式熱損耗多132 W。

（2）使用壽命對比。當直流變換器承擔2 kW的負載時，如果只有2個子模塊在工作，則每個子模塊各承擔1 kW的負載。單個子模塊帶負載越大，其本身消耗的功率就越大，發熱也越大，溫度就越高，而半導體或電解電容等電子元器件發熱溫度越高，其壽命就越短。如果3個子模塊同時工作，2 kW的負載分配在3個單機子模塊上，每個子模塊負載變小，發熱減少，壽命延長。

（3）子模塊故障時對比。對于2個子模塊工作、1個子模塊待機的工作模式，當有1個子模塊發生故障時，需要啟用待機子模塊。在子模塊切換時會引起模塊輸入、輸出電壓的波動，容易對電器造成影響，穩定性下降。而3個子模塊同時工作模式時，一般不會出現某個子模塊輸出突然變大，造成過流損壞的情況。當某個子模塊出現故障時，另外2個子模塊依然可以穩定工作。

（4）結果對比。根據對比可以發現，3個子模塊同時工作雖然熱損耗要比2個子模塊工作、1個子模塊待機多，但卻在使用壽命及故障處理方式上有一定優勢（見表3）。

表3　單機子模塊工作模式對比

4.2　診斷數據優化

通過網絡控制系統采集并檢測直流變換器單機子模塊的狀態，提前判斷3個單機子模塊中可能出現異常的模塊，發現故障模塊及時更換，以便有效降低動車組運行安全風險。優化后的狀態檢測電路圖及數據記錄診斷如圖1所示。

圖1　直接變換器狀態檢測電路原理圖及診斷數據

根據圖1所示，在單機子模塊無故障的情況下，C/CA及C/CB電路檢測到模塊工作正常；如果C/CA及C/CB電路檢測到模塊工作異常，則在網絡控制系統中記錄為“ATP供電電源模塊X故障”隱性故障，以便可以提前分析和預判各子模塊狀態，避免動車組帶病上線。

4.3　檢修修程優化

通過對故障直流變換器的運行環境及測試數據分析，可知損壞的直接變換器在線運行均超過5年，所在動車組累積運行均超過120萬km，同時直流變換器長時間在高溫和振動工況下工作，加速了子模塊元器件的老化，進而縮短了直流變換器的使用壽命。因此，在動車組運行公里數達到120萬km時，需要對直流變換器子模塊的絕緣、耐壓及電容值進行測量，將測量不合格的模塊進行更換，以便有效保證直流變換器的工作穩定性與可靠性。

5　結語

通過對可靠性優化后的DC24 V/DC110 V直流變換器工作情況跟蹤顯示，裝有優化后直流變換器的動車組運行兩年以來，在線運行中未出現直流變換器故障的問題：而未經工況優化及檢修的直流變換器，通過隱性故障分析發現有安全隱患3起，均通過診斷數據優化進行了隱性故障處理。

根據直流變換器運行情況分析，采用上述3種方式對直流變換器進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行中的故障率，提高車載信號設備和控制設備的安全性，保證動車組的運行可靠性。

［1］張曙光.CRH5型動車組［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

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