HXD1型牽引變流器模塊檢修數據研究及運用

龔菊芳

（中國鐵路廣州局集團有限公司廣州機車檢修段）

0 引言

近年來，隨著和諧型電力機車運用時間增加，牽引變流器核心器件IGBT故障日益顯現，嚴重影響列車的運用可靠性。其中牽引變流器IGBT元件失效后，不僅會造成機車損失某個電機或某架的牽引力，影響機車牽引力發揮；嚴重時，還會造成周邊電路和部件損環，存有較大運行安全隱患。如何有效降低IGBT故障的發生，提升牽引變流器可靠性，成為當前亟待解決的主要問題之一。

1 變流器模塊功能原理

變流器是一種電能變換裝置[1]，HXD1型機車牽引變流器采用以IGBT為功率元件的水冷變流器模塊[2]，每柜裝有8個主變流器模塊（四象限、牽引逆變器模塊各4個）。每個變流器模塊包含8個IGBT元件組成4個變流橋臂（如圖1、圖2所示）。變流器模塊實現互換、模塊化等便于維護性設計，兩種變流模塊可完全互換，通過控制信號自動識別判斷是四象限整流還是逆變模式。如圖1所示，由于四象限輸入電流較大，采用雙橋臂并聯分流。IGBT并聯須考慮均流性，否則并聯運行中就會出現電流分配不均勻或過流保護，嚴重時會損壞IGBT元件。因此在設計和維修更換IGBT元件時須考慮并聯均流要素。

圖1 四象限模塊主電路

變流器模塊主要由IGBT功率元件、驅動板、檢測板、脈沖分配板等保護監測單元組成。IGBT是電子開關元件，其開通和關斷的頻率相對較高。

舉例說明四象限整流模塊從無電流狀態開始的工作過程。如圖3、圖4所示，如果在正半波時，S2或S3兩個IGBT開關中的一個處于開通狀態，變壓器次邊繞組處于短路狀態，電流開始上升。此時，如果原來開通的IGBT關斷，由于變壓器的漏電感，電流不能被中斷。電流通過IGBT開關S1或S4的續流二極管流入直流支撐回路并緩慢降低。利用這一原理，電流就可以圍繞一個參考值上下波動且cosφ和直流支撐電壓值能保持在要求的范圍內。IGBT開關頻率決定每個周期的脈沖數量，脈沖頻率越高，電流值能越精確地追蹤參考電流值。圖3中LN輸入電抗器（主變繞組制作中已考慮其電感量），在牽引工作狀態下，主要起儲能作用，形成正弦電流波形；在電制回饋狀態下，主要起濾波作用，濾掉電流波形的高頻成分。

圖2 逆變流器模塊主電路

圖3 四象限整流原理圖

圖4 四象限電流/電壓波形

2 原因分析

（1）IGBT故障診斷機理

變流器模塊設置了過流保護和短路保護功能，如圖5所示，以逆變器模塊為例，正常工作時，脈沖分配板將傳動控制單元（簡稱“DCU”）發出的觸發信號經過死區處理、最小脈寬處理后轉變為光信號發送給IGBT驅動電路，IGBT驅動電路將接受的光信號轉變為適合IGBT驅動的電信號控制IGBT的通斷，從而控制IGBT橋臂的工作狀態。

圖5 變流器模塊保護原理圖

一旦IGBT驅動板檢測到IGBT元件出現過流或短路故障，迅速關斷IGBT元件，同時將故障狀態通過光纖反饋給脈沖分配板，脈沖分配板封鎖其他元件的脈沖輸出，同時將故障狀態反饋給DCU進行保護，并通過顯示屏提示對應“管故障”信息。

（2）故障原因分析

管故障的引發因素可以分為兩種：一種是器件本身失效引發控制電路保護；一種是外部因素誘發控制電路保護。

第一類典型表現為：變流模塊驅動裝置檢測到IGBT元件出現過流或短路故障，迅速關斷IGBT元件。器件本身失效主要有單管變橋臂直通、模塊橋臂直通故障兩類，電路原理圖與故障波形特征如圖6、圖7所示。

圖6 單管變橋臂直通原理圖及數據波形

圖7 模塊橋臂直通原理圖及數據波形

第二類外部干擾，典型表現也可分為兩種：一種是模塊運行過程中的振動，對驅動組件及相關線束的連接可靠性構成一定的影響，導致模塊上報相管故障；一種是網壓波動造成IGBT模塊損壞[3]。

針對線束斷裂問題，如圖8所示。2020年9月份在“貴陽-株洲”機車運用區段實際運行振動測試（測試點為驅動板的固定安裝板）。通過驅動安裝板振動數據采集整理，并與國標GB/T 21563要求進行對比，測試數據按國標要求為1時進行換算對比。實測數據如圖9和下表所示，驅動板振動垂向最大，超出標準約2倍以上，對驅動組件線束的連接可靠性構成一定的影響。驅動板振動以51Hz、53Hz和74Hz、75Hz為主，主要來源為輪對傳遞振動引起的驅動板共振。

表 GB/T 21563 I類B級車體安裝ASD頻譜

圖8 現場故障圖片

圖9 驅動板振動頻譜

可見路譜振動已經超出機車設計出廠標準要求，造成機車零部件振動過大，長期運行在此類路段，導致器件疲勞損壞。

變流器模塊驅動組件脈沖線安裝采用螺紋端子壓接方式，如圖10所示。由于驅動板安裝組件橫向跨度較大，在運行過程中線束和電路板在振動過程中受到各個方向的力，對線芯造成各種剪切力和拉力。當此處長期反復剪切后，導致線芯疲勞斷裂。

圖10 脈沖線連接方式

據文獻[3]分析，和諧機車在22.5~30kV網壓下，機車最大輸出功率為9600 kW。在19kV網壓下，機車最大輸出功率為8064kW。在網壓低于17.5kV時，牽引功率線性降為0，但輔助功率仍然有效。機車功率特性如圖11 所示，網壓高于31kV時，牽引功率線性降為0。

圖11 機車功率特性曲線

通過恒功率計算，可以得出，當網壓為19kV時，網側變流器四象限模塊輸入電流約為1548A。因此，整流器輸入電流峰值設計值（正弦波峰值+ PWM 波動）為√2×1548×1.1=2410A。在13‰坡道地區取機車滿功率的網壓及電流信號，計算得出電流值為1540A。整流器輸入電流峰值計算值為（正弦波峰值+PWM 波動）√2×1540×1.1=2410A。

考慮到機車實際運行過程中路況、變流器裝置自身檢測元件誤差等綜合因素，機車實際檢測數值與理論計算數值會存在1%~3% 的誤差變化范圍，所以當網壓降低到19 kV 以下時，網側變流器四象限模塊輸入電流將達到3000A 以上，而IGBT能承受的最大電流限制為2430A。如果長時間在此期間頻繁波動，將會造成IGBT 模塊損壞。因此得出結論，網壓波動較大是造成IGBT 模塊破損的重要原因。

3 整改措施

1）針對上述問題，對變流器控制和保護策略應用軟件進行了優化：①優化管故障自動復位、隔離功能，采取組合式診斷方法對故障進行分級，實現自動隔軸、隔架或隔車保護。減少或避免人工干預操作錯誤（或不妥），造成機車牽引力不足，引起機車故障事件擴大；減少機車停車處理時長，有效提高機車運用質量。②新增網壓異常判斷功能，由DCU檢測機車原邊電壓（網壓），如果相鄰周期內的網壓基波峰連續波動超過設定值，DCU標識網壓波動有效，此時，DCU隨著網壓波動時長，線形控制機車減功率輸出，減少網壓波動所產生的大電流對IGBT的損傷。

2）針對IGBT本身失效的問題，廠家在新造和C6級及以上檢修修程中，對出廠IGBT模塊進行加嚴考核篩選，提前篩選出失效元件，同時在部分路段提高IGBT容量等級進行裝車驗證。

3）因路段振動條件暫時不能改變，針對驅動板脈沖線斷裂問題，優化脈沖線安裝工藝，在驅動板脈沖線進線端增加熱縮式端子（如圖12所示），對熱縮管吹縮過程中會釋放出一層膠狀物質，將導線絕緣層牢牢包裹，形成新的絕緣層，從而有效防止空氣直接與線芯接觸氧化線芯，在振動傳遞時，振動應力通過該結構得到充分釋放，有效避免線芯疲勞斷裂。

圖12 加裝熱縮式管狀端子

4）針對網壓波動問題，建議對接觸網線路進行擴容改造。

3 結束語

自2020年以來，經與廠家深入討論，針對以上問題通過現場實測、改造，結合修程對IGBT元件進行加嚴考核篩選等一系列措施后，有效遏制了變流器模塊故障增加的趨勢。尤其振動原因造成斷線問題的解決方案，此項成果廠家已經成功運用到其他類型的產品，有效提高導線抗振動能力，但從長期來看，還要減小路段的振動，提升零部件運營的可靠性。統計近3年檢修的機車運營數據，無上述類型問題造成的故障。