HXD3C型电力机车辅助变流器控制原理及其复合型故障分析

刘应军， 廖永衡

(广州铁路(集团)公司 机务处， 广州 510088)

广州铁路(集团)公司客运机车交路存在临时机外多、线路整治临时限速多、小半径曲线限速低、纵断面复杂等不利因素，这就要求机车具备较大的起动牵引力以适应频繁快速启动、较低的持续速度实现机车低速下全功率发挥、较高的剩余加速度满足爬坡不掉速，以往使用SS8型电力机车牵引时，上述要求均不能满足，正点率难以保证，而HXD3C型机车起动阶段牵引力大加速快、调速阶段持续速度低、剩余加速度大，此外交流传动机车网侧功率因数高、入段整备时间短、发生故障具备自我诊断与数据存储、可靠性更高尤其适合长交路运行，为此广铁集团公司2011年初至今陆续配属80台HXD3C型机车取代SS8型机车担当跨局直通旅客列车牵引任务，担当区段最远为广州至贵阳/重庆。

然而HXD3C型机车在广铁集团经过4年的运用，已陆续经过C4甚至C5修程，因机车设计制造缺陷、技术资料匮乏及承修厂家在段人员实践经验不足，部分临修机车经处理后出现故障扩大甚至长期趴窝现象，例如2015年底广州机务段支配的718#机车，因故障处置时间过长，导致该机车未能正常参加春运，影响了机车正常周转、增加了供车压力。

1 机车故障过程

2015年12月26日718#机车在长沙站外换挂作业，乘务员执行换端操作，升弓一瞬间，高压柜内发出巨响并伴随火光，导致机破，事后查明故障系高压柜内互感器端子对高压母线电缆金属屏蔽层放电击穿所致，故障恢复过程涉及到牵引变压器、高压互感器、高压隔离开关、主辅变流器、主断路器等多个设备厂家的设备更换，一切设备恢复后再次升弓进行高压试验，发现辅助变流器1(APU1)故障，并伴随跳主断，TCMS微机屏显示APU1整流过电压，必须将APU1隔离，才能闭合主断依靠APU2运行，联想到控制电源PSU依靠APU的整流电压斩波供电，机务段技术工程师利用TCMS子菜单中“蓄电池控制电源”显示一栏，观察PSU1的输入直流，当再次单独使用APU1时，闭合主断一瞬间，PSU输入直流电压一度达到950 V远超750 V的正常值，而单独使用APU2时，PSU显示输入值为正常的750 V，由此可见APU1整流过电压确实存在，随即技术科工程师通知东芝售后进行处理。

2 机车故障数据的利用

2.1 辅助变流器的故障数据产生机制

东芝售后首先调阅APU1的LED灯显记录，确实有FCOV(filter capacitor over voltage)故障码，利用东芝APU故障诊断软件(PTE for APU-Converter)下载APU整流器故障数据，如图1所示。

图1中东芝故障数据有ntr和lsr两种后缀名文件，每种后缀文件又分为模拟记录和数字开关量记录两个文件，东芝故障数据生成机制，采用无故障不记录，有故障时分别记录故障时刻(图1中竖线对应0时刻)前后一定时间段的模拟数据和数字开关量记录，其中ntr文件记录时长0.4 s，保存10种模拟量且记录较为精细(采样周期2 ms)，lsr文件时长7.2 s，但仅记录4种模拟量，且记录较为粗糙(采样周期36 ms)，因此lsr用于记录故障宏观轮廓，再结合ntr对故障微观细节进行分析，文中由于版面需要，将ntr和lsr文件的关键模拟数据和开关量数据导入至excel表格，在同一版面显示以方便分析，如图2所示。

图1 HXD3C0718机车的原始故障数据下载记录

2.2 辅助变流器的故障数据分析

从图2(a) lsr长期宏观记录可以大致分析HXD3C机车辅助变流器工作逻辑如下：a时刻主断路器闭合后，产生VCBO(主断路器闭合)信号，送至APU控制单元，经内部程序处理后输出充电接触器(AK)闭合指令，经一定延时，b时刻AK闭合APU整流器部分开始进行全桥整流给滤波电容充电，同时AK闭合反馈信号AKA反馈至APU控制单元，随着直流滤波电容充电，至c时刻，当直流电压上升至600 V左右时，APU控制单元发出AK释放指令和K(短接接触器) 闭合指令，经一定延时，d时刻K闭合反馈信号KA传送至APU控制单元，于是APU整流部分开始进行四象限整流控制，直流电压再次迅速上升，但由于系统存在故障，输入电流瞬间突破1 300 A，直流电压没有在750 V左右维持稳定，而是涌至850 V左右，由于先触发输入过电流保护(ISOC)，APU控制单元发出释放K指令，f时刻，K释放，直流滤波电容开始自然泄放，从而保护APU安全。

图3中利用数字示波器分别记录了直流滤波电容完全放电后，(a)故障APU以及(b)正常APU起动过程中的直流电压波形，(a)与(b)在起动过程电压上升率一致，因此可以排除充电电阻或者直流电容失效导致的ISOC或FOCV故障，(a)与(b)的异同主要发生在短接接触器闭合后也就是APU开始四象限整流器控制的一瞬间，(a)的直流电压发生较大的振荡(图中圆圈内所示)，且最大电压达到了900 V以上，在APU自动隔离前，人为断开主断路器后，再次闭合，故障电压波形重复出现，而(b)启动后，直流电压一直保持稳定在750 V 左右，直至KM11接触器吸合，而(a)启动过程中，KM11一直未吸合，而是闭合延长供电接触器KM20，切换到APU2运行，最终APU1自动隔离，查阅TCMS与APU相关的逻辑控制框图如下：

由图4可知：当APU1和APU2完全正常，且司机没有在微机屏进行隔离操作，则a=1和d=1，且APU1和2的逆变器准备就绪线(591和691)为高电平，则b=e=1，又a=d=1，经过(异2)门后，使(和9)门输出0，则465号线输出0，那么KM20不闭合，所以有c=0，c与e再经(和3)门输出0，且c与b经(和6)门输出0，两者经过反相后，再通过(和4)与(和5)门分别与b、e进行与运算都输出1，使控制KM11和KM12的463和464线输出高电平，这样KM11和KM12吸合。依此类推，得出以下结论：当APU1存在故障或者司机隔离后，则KM11不闭合，KM12闭合，KM20延时2 s再闭合，KM12闭合信号与APU1故障信号反馈至APU2，APU2开始VVVF(变压变频)启动，并最终维持CVCF(恒压恒频)运行；当APU2存在故障或司机隔离，则KM12不闭合，KM11闭合，KM20延时2 s后再闭合，KM11闭合信号与APU2故障信号反馈至APU1整理控制单元，APU1开始VVVF启动，并最终维持CVCF运行，将图4再结合HXD3C机车APU的控制单元结构，可以得到图5所示：HXD3C机车的APU控制单元与TCMS部分硬件控制结构。

图2 HXD3C0718机车主要故障数据记录波形

图3 HXD3C机车APU整流器启动故障与正常时的中间直流电压波形

图4 HXD3C机车辅助变流器KM11、KM12与KM20接触器控制逻辑

图5描述了TCMS、APU控制单元与 KM11、KM12和KM20的控制结构关系，对于本次故障而言，APU1的整流部分整流过电压，通过图中FAULT1向APU1的逆变部分发出保护信号，那么逆变部分就向TCMS发出FAULT信号，同时READY信号不构成，两者经过TCMS中的控制逻辑处理后，KM11不吸合，那么逆变部分也不会开始VVVF起动；反之，如果APU1的逆变部分因过流、过压、过热等产生保护，一方面通过FAULT和READY信号通知TCMS触发跳主断或者断开接触器等保护动作，另一方面通过FAULT2信号反馈至APU1的整流部分，使整流器停止工作从源头保护整个APU的安全。

值得一提的是APU的整流部分和逆变部分控制单元体硬件结构是完全一致的，将控制板的CN3-16、CN3-17两个端子短接，将17脚接24 V地，则控制板内部运行整流控制算法，将16-17断开，让17脚悬空，则控制板内部运行逆变控制算法，对于运行于VVVF[1]的APU1和CVCF[1]的APU2而言，CN3-47、CN3-48脚短接则运行于APU1的VVVF控制，断开则运行于APU2的CVCF控制，外围的继电器板也是一样的结构，这样设计的好处在于，首先节省了开发成本，使用单位可以集中储备配件，其次可维护性好，任意对调APU间以及同一APU内整流/逆变间的控制板，然后改变跳线，就能快速排查控制板，提高处理故障的效率。

图5 HXD3C机车APU1控制单元与TCMS部分硬件控制结构

3 机车故障的定位

3.1 辅助变流器的故障定位

通过对2.1和2.2小节HXD3C机车APU故障数据产生机制的分析，以及图2和图3故障特征数据的解析，可以排除直流电容器失效引起的过电压，及充电限流电阻熔结短路造成的过电流，因为两张图中故障APU和正常APU充电电压曲线完全一致，再结合图4和图5的HXD3C机车APU的硬件结构及其TCMS软件逻辑控制部分原理，我们也可以排除故障APU逆变部分存在故障的可能性，因为故障APU的整流部分故障后，APU的逆变部分根本没有起动，因此可以将故障范围缩小至APU的整流部分。

通过分析图2(b)，发现故障APU起动过程中，输入电压与电流存在反相有悖常理，因为整流器起动瞬间，牵引变压器辅助绕组AC 400 V单相输出，仅仅是通过限流电阻进行桥式整流向电容充电，输入电流与电压理论上虽有相位差，但在直流支撑电容没有储能的情况下，通电一瞬间电容实际是短路的，回路成近似纯阻性[2]，不可能存在180°的反向，于是对调APU的整流部分控制板，但故障依旧，因此将故障点定位在图6(a)所示HXD3C机车APU结构示意图中整流部分的输入电流传感器ACCT、电压变换器VDT及其相关接线等位置，在上述位置采集到图6(b)、(c)所示故障和正常状态下的输入电压和电流波形，图6(b)清楚的显示了APU整流起动瞬间，存在一个明显的与输入电压同相的输入过电流，需要澄清的是，这与图2(b)显示的反向并不矛盾，因为图2(b)的ntr模拟量记录的输入电压是经过高压柜电压互感器、主变流柜电压变换器VDT、APU整流控制单元模拟处理电路以及软件处理等层层变换后得到的，ntr模拟量记录的输入电压与电流是控制运算中最真实的信息，如果以图6(a)正常状态为标准，实测输入电压与电流180°反相，则图6(b)所示的同相正好印证了图2(b)中真实输入电流的反相故障特性。

需要注意的是四象限脉冲整流器的输入电压和电流在电动状态下是同相位的，只有在再生制动时，电压电流成反相[2-7]，这在主变流器是可以出现的，但对辅助变流器，各辅机均工作在电动状态，故不可能出现APU输入电压与电流反相的情况，更不可能在APU起动一瞬间中间支撑电容储能为零的情况下出现。

将故障范围缩小至电流传感器ACCT、电压变换器VDT及其相关接线，首先对调了考虑到该机车由于高压部件损坏后更换过电压互感器，怀疑副端接线反相，导致APU1故障，但很快想到，如果互感器副边接线出错，使用互感器副边AC 100 V输出作为同步信号的主变流器以及APU2也会故障；单独检查APU1的VDT是否同名端接反，但检查后完全正常，并与APU2的VDT对调，APU1故障依旧，继续检查ACCT，经与APU2对调后，APU1还是无法启动，至此辅助变流器内部可以怀疑的部件已经全部排除，检查图6(a)中的581/582大线是否会接错，经掀开过道地板，仔细检查牵引变压器的581/582大线紧固螺杆，从检修者视角无法发现581/582大线的标记，于是拆下581/582大线，在一定视角下发现581/582的标记，确认先前两根大线确实接反，经联系变压器维保厂家，证实高压电气设备故障恢复时，确实有拆卸过牵引变压器的绕组，于是重新给581/582大线标记显眼的线号标识，并安装至正确的接线固定螺杆，但很快发现：首先安装时如果不做额外标识，从检修者的视角根本无法区分两根大线，其次在无法区分581/582大线时，两根线到辅助变流器输入端的长度反而错装时更便于安装，正确安装时，一根线因为长度不够却较为吃力。

图6 HXD3C机车APU1控制单元与TCMS部分硬件控制结构

3.2 辅助变流器的隐性故障

将大线恢复后，再次升弓合主断，APU1与APU2貌似都正常起动，KM12正常闭合，但迟迟没有听到KM11动静，不久KM20闭合，但却没有如先前一样发生跳主断 ，微机屏也没有报出先前的APU1相关故障，点击微机屏的蓄电池信息，发现APU1的直流输出电压稳定在750 V左右，这说明APU1的整流部分故障已经恢复，根据图5分析可知，KM11没有吸合，要么APU1的逆变控制板没有给TCMS输出READY信号，要么给TCMS输入了FAULT信号，既然微机屏没有显示任何故障，则FAULT与FAULT1信号不存在，唯一的可能是TCMS没有接收到APU1逆变控制板的READY信号，在确认APU1至TCMS的READY线无虚接、对调APU1/APU2逆变控制板部分故障未转移的前提下，将故障再次定位至APU1整流与逆变控制板之间的继电器板RY-U1以及APU1逆变控制板的输出继电器板RY-U2。前者给APU1逆变控制板保护信号和逆变板起动信号等，后者给TCMS发出APU保护和KM11起动信号等，当检查至RY-U2时发现PCB板上的一条敷铜线烧损，逆向查找此线走向，确定是此板RY8继电器相关回路，而RY8正是APU1逆变控制板向TCMS发出READY信号的隔离继电器，其原理如图7所示。

图7 APU与TCMS间的继电器隔离线路

图7中，TCMS和APU均使用单独的电源隔离模块将110 V控制电压变换成各自独立的24 V电源，再依靠110 V高低电平信号在两者间传递开关量信号，从而保证了系统的可靠性以及TCMS与APU的安全，此例中也正是由于RY8相关线路的烧损，APU1与TCMS间的110 V开关信号中断，这样TCMS的KM11闭合控制逻辑条件不满足，KM11也就无法启动了。

值得一提的是，以往APU1启动后，KM11不闭合在微机屏报出KM11相关故障，是基于图5中493线已经发出高电平闭合KM11指令，而KM11不闭合其反馈指令迟迟不能被TCMS检知使然，此次原因在于TCMS未发出493高电平闭合KM11指令，那么也无所谓KM11是否闭合了。

更换RY-U2继电器板，再次升弓合主断，APU1与APU2同时启动，且KM11、KM12闭合良好，在微机屏APU界面可以确定APU1/APU2输出电压、电流和频率完全正常，至此一起较为复杂的HXD3C机车辅助变流器复合型故障得以排除。

4 总束语

通过对故障的排查过程，也给相关机车设计、生产制造企业提出以下建议:

(1) 大线缆应进行防错接标识，避免错接。

(2) 大线缆长度设计应符合现场检修作业要求，减少检修作业中的难度。

(3) 提供一定的技术资料，方便机务现场技术人员及时掌握相关技术原理，提高故障处置能力。

[1] 沈本荫.现代交流传动及其控制系统[M].北京:中国铁道出版社，2007.

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