大功率电力机车牵引变流器的故障诊断

大功率电力机车牵引变流器的故障诊断

代红新

北京局集团公司天津机务段300143

摘要：牵引变流器作为HXD2B型电力机车的核心部件,其主要作用是将主变压器次边牵引绕组提供的2100V交流电,通过变流器的整流、逆变向异步牵引电机提供三相变频变压交流电。

关键字：大功率；电力机车；牵引；变流器

一、牵引变流器的组成

（一）牵引电机

HXD2机车所使用的YJ90A型异步牵引电机是借鉴法国ALSTOM公司的成熟的设计和制造技术,进行消化吸收和再创新后的国产化电机。该电机定子采用全叠片无机壳结构,以减轻重量和改善散热;转子采用坚固的鼠笼式结构,导条端环采用铜合金材料,用以提高转子的强度和可靠性;电机通过轴端的接地电刷装置,消除轴电流对轴承的电蚀。

（二）牵引变流器的构成

每台机车设有三台牵引变流器,每台变流器包括两台独立的变流器、冷却系统、防火灾报警风管组成。变流器主要包括:功率模块、接触器、牵引控制单元(TCU)、放电电阻、中间支撑电容、二次滤波电容、慢性放电电阻等组成。冷却系统主要包括两个泵、管道、2个蒸发器(水箱)、一个热交换器及电机风扇、控制水回路中的温度和水循环的传感器。

（三）变流器常见故障

1、系统通风不足

机车回段后,下载数据进行分析发现,辅变1通风机的断路器跳开,冷却风流量低,由参数VarC_A1XM_A_E_CA_DBVT=11可知,此处风量偏低,不符合风量要求。全车共有两个辅助变流柜,每个辅助变流柜有两组变流器,两组变流器分别由两个通风机进行通风散热。若通风不足,将造成辅助变流器散热不良,温度升高,造成辅助变流器的隔离。造成通风不良的原因有多个,可能是风机本身故障、通风口被堵或者传感器测量出错。处理方法:1查看辅助变流器的通风模式,若通风模式错误,手动调整通风模式;2擦拭风速传感器;3检查辅助变流器的滤网通风口,看是否有杂物导致通风不良;4检查辅助变流器的通风机断路器是否动作、风机转动是否良好。

2、机车24V电源故障

机车在运行途中发生辅变1隔离故障,机车回段后,下载机车数据进行分析,发现辅助变流器1的逆变模块IGBT的R±、S±、T±相同时出现驱动故障。通过分析24V电源模块电路,可以知道,逆变器IGBT的R±、S±、T±相共用24V驱动电源。处理方法:更换辅变1的24V电源模块,故障现象消失,试验通过。

二、牵引变流器逆变部分仿真模型的建立

为获取故障诊断系统所需的开路故障信号,本文基于MATLAB/Simulink软件构建了基于矢量控制策略的仿真模型。“control”模块中包含了静止三相-两项变换(3/2变换)、转子磁链观测、PI调节等模块。通过仿真测量电机定子的三相电流,作为故障诊断的分析对象,搭建的仿真模型。

三、小波分析的引入及故障特征的提取

变流器的输出电压或者输出电流波形的变化含有变流器故障位置和故障类型等信息,从中快速的、精确的提取出故障特征,是故障诊断研究的关键。近年来,小波分析备受研究者的重视,它不仅在数学上形成了一个新的分支,而且广泛应用于信号处理、图像处理和模式识别等领域。本文结合大量的资料,并做了多次的仿真实验对比,采用db3小波进行6层小波分解,提取三相电流的低频系数a6,获取每个系数对应的能量值,将能量值按顺序排成一个向量,构成对应于某一个故障的特征向量。

四、故障模式及编码

本文只考虑单只开关管故障的情况,变流器三相桥臂上一共有6个开关管,采用三位二进制数对故障进行编码。

五、神经网络故障模型的建立及仿真

误差逆传播(errorBackPropagation,简称BP)算法是迄今最成功的神经网络学习算法,现实任务中使用神经网络时,大多是在使用BP算法进行训练。开关管的断路故障与逆变器的输出电流波形变化之间具有较强的非线性关系,利用BP神经网络的学习能力以及其输入与输出的非线性映射关系,使得小波分析结果与故障类型之间的关系通过神经网络的学习并保存其中,用于故障诊断。本文选用三层BP神经网络对变流器开关管开路故障进行诊断。输入层的神经元个数N1为3个,输出层的神经元个数为N3为3个,根据N2=2N1+1=7,可知隐层节点数为7个。隐含层采用正切传递函数(tansig),输出层采用对数S型传递函数(logsig),利用MATLAB神经网络工具箱来生成神经网络,采用Trainlm算法进行训练。将训练之后的神经网络的权值和阈值冻结,输入非样本测试数据,用于验证网络性能。新的测试数据可以通过设置不同的仿真时间获得。实际输出与期望输出达成一致,所建立的神经网络具有较好的识别能力,能够进行故障诊断。

结束语

本文运用小波分析和神经网络技术对变流器逆变部分进行故障诊断研究。通过MATLAB/Simulink建模仿真,获取单管故障时定子三相电流的波形,利用小波分析提取故障特征,将处理过的故障特征数据输入神经网络对其进行训练,利用神经网络进行故障诊断。通过仿真实验证明,该方法可以有效的进行故障识别及定位。牵引变流器作为大功率电力机车的核心部件之一,其在能量转换时起着关键性作用。对于牵引变流器而言,IGBT、支撑电容等是其中的关键部件,是整个牵引变流器功能实现的基础。机车的牵引变流器通常在大电压、大电流的条件下,在IGBT开通与关断的过程中,电路的电流变化率很大,继而由于回路中的分布电感而产生尖峰也很大,大大增加了开关管过压损坏的可能性;同时,在高频开关状态下,特别是在高电压、大电流条件下,IGBT发热造成过温的可能性更大,发热严重,更容易引发故障。因此,对开关管IGBT开展故障诊断研究有重要意义。HXD1C机车牵引系统采用的是牵引变压器、牵引变流器及异步牵引电动机构成的交流传动系统。机车采用轴控方式,牵引系统共装有6套牵引绕组、6个四象限整流模块、6个牵引逆变模块及6台牵引电机,这些设备一一对应进行电气连接,并独立控制。牵引变流器采用IGBT作为功率器件,水冷散热,散热效率高。本文主要对牵引变流器逆变部分的IGBT开路故障进行故障诊断研究。机车牵引变流器门极驱动板电源线断裂故障,会导致TCU不能正常工作,影响机车正常运行;但通过压接热缩管状端子改造和规范自由导线绑扎加固这些简单措施,即可有效解决问题,因此,从事机车检修的专业技术人员,应擅长在日常处理机车故障中,总结、分析常见故障的根源,对症下药,彻底消除故障隐患。门极驱动板电源线不做固定,晃动大,容易在插头根部产生应力集中、振动疲劳效应,从而导致断线问题。为减少电源线相对于门极驱动板插头之间的晃动,提出电源线绑扎工艺要求:1)门极驱动板插头后约4cm处的电源线,用2mm扎带绑扎在门极驱动板上方的支架上;2)在C2及以上修程中,对门极驱动板电源线状态进行手检,确保接线紧固,绑扎可靠。

参考文献：

[1]罗湘.HXD1型电力机车牵引电机轴承温升报警原因分析及优化措施[J].技术与市场,2019,26(06):55-56.

[2]麻骁.HXD1C型电力机车牵引变流器电气原理及重点故障分析处理[D].中国铁道科学研究院,2019.

[3]龙光海,龚事引.HXD1型电力机车牵引控制电源板启动时序优化[J].科技创新与应用,2019(13):142-143.

[4]牛剑博,詹哲军,张亚斌,张瑞峰,王龙刚.电力机车牵引传动系统中转矩估算策略研究[J].铁道机车与动车,2019(03):12-15+5.

[5]周鹏,耿辉,王乃福.HXD3D型电力机车牵引电机故障分析[J].铁道机车与动车,2019(03):16-18.