高速列车中牵引变流器故障点分析

高速列车中牵引变流器故障点分析

徐天龙 仇鹏

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 青岛 266580

1、引言

高速动车通常指最高时度在200km/h及以上的列车，高速动车组极大地融合了各种高尖端科技产品，它是第三次科技革命产生的一种新型陆地铁路运输工具^[1]，它具有速度快、运量大、安全舒适以及清洁环保的特点^[2]。高速列车的稳定运行离不开牵引变流器，学术界以及工程师们针对牵引变流器进行了大量研究。张艳平等人分析了列车空压机的控制原理与故障判断逻辑，调查了故障列车现场明确了故障原因^[3]，并提出相应的解决方法，结合以上学者的研究经验，本文介绍了牵引变流器出现故障时的种类，同时分析了牵引变流器故障产生的原因，提出了合理的解决方案，为牵引变流器出现的故障点判断提供依据。

2、牵引变流器故障种类

通过调研随机取样动车组牵引系统中牵引变流器相关的故障案例，按照故障发生所在部件，牵引变流器故障案例可以分为中间直流环节、辅助逆变模块、TCU控制模块、水冷装置、四象限变流器和其他。图1为根据牵引变流器故障案例统计得到的饼状图。由该图可知四象限变流器故障案例是所有模块中最多的，因此选取牵引变流器中的四象限变流器故障作为分析对象，对现有常见故障进行研究分析。

图1 牵引变流器故障案例饼状图

3. 四象限变流器故障案例分析

故障描述：15车第一次故障时刻 22:21分TCU 数据，故障时刻前列车处于刚要启动的状态，网压同步信号正常，网压无波动或高次谐波，中间电压2600V 左右，一架/二架短接接触器闭合，此时TCU发出一架四象限启动指令，一架四象电流开始增加，但是一架四象电流却变化异常，不到四分之一个周期电流便陡增到了最大峰值2198A，大于过流的门槛值（也大于保护封锁的门槛值），见图2。

图2 故障时刻各信号波形图

因此报出“一架四象限输入过流”、“一架四象限侧保护封锁”和“二架四象限侧保护封锁”故障，并使受电弓所在的11车报VCB断开保护。两种故障的置位条件如下。

一架/二架四象限输入过流故障的判定原理：

判断条件：检测四象限输入电流瞬时值＞2000A。

保护措施：封锁牵引变流器，断开 VCB。

一架/二架四象限侧保护封锁故障的判定原理：

判断条件：检测四象限输入电流瞬时值＞1900A。

保护措施：封锁牵引变流器。

为更好地分析该案例，建立了四象限变流器的MATLAB/Simulink仿真模型，如图3所示，U_N为变压器二次侧电压，有效值1900V，变流器的控制策略为瞬态直接电流控制。

图3 Simulink仿真模型

瞬态直接电流控制是在间接电流控制的基础上引入了电流反馈，提高了直流侧电压动态性能，也提高了直流侧电压的稳定速度。瞬态直接电流控制原理的数学表达式如下：

瞬态直接电流控制引入了电流反馈，提高了直流侧电压动态性能，提高了直流侧电压的稳定速度，开关频率固定，控制精度较高，且单一桥臂的开关控制互补，便于对系统谐波进行分析^[4]。

该案例种这一四象限整流器的输入过流故障，可能是变压器二次侧发生异常，在仿真中模拟这一故障，在t=0.5s时将电源做短路处理，可见变压器二次侧电压与中间直流环节电压归零，电路中的电流由于变压器二次侧绕组漏感放电而短暂增加至约1500A，随后逐渐降低至零。此时的电路输出与本案例中的电路输出不符，且实际上变压器空载保护、差动保护等保护并未动作，故可初步排除变压器故障因素。

接下来考虑变流器内部出现接地的可能，在仿真模型中将变流器3、4桥臂做接地处理，可知中间直流环节失压，变压器二次侧电流迅速增加至约3000A，符合案例中报出的输入过流故障。但实际情况中变流器各传感器会根据不同的接地点报出接地故障，如果模块存在异常，模块自身还会报出元件保护。如果检测的传感器出现异常，会出现检测值漂移现象，电流值会出现偏大或者偏小的值，低压条件下也会出现电流值异常，WTD数据分析一架四象限输入电流无异常漂移现象，故可排除以上部件发生异常的可能性。

根据故障时刻的四象限输入波形，电流在不到 1/4 个周期内便陡增至超过门槛值，而正常工作时四象限电流会不断的增大和减少，由此判断变流器可能接收到了异常的脉冲驱动信号。在仿真中模拟这一故障，电路的输出电压电流见图4。由图可知t=0时刻，变流器开始工作，直流侧电压迅速从0上升，约0.2s后，直流电压上升至期望值(3600V)；t=0.5s时，将PWM的调制波短路，变流器交流侧电压消失，流过变压器二次侧的电流在短时间内上升至较大值，至保护电路动作阈值(2200A)后，保护电路动作使主电路断开，电流迅速下降至0，符合案例中的故障情况。

图4 变流器接收错误脉冲信号时的各信号波形

模块接收异常的驱动信号可能的原因有，LCC发出的脉冲信号异常、LSC 使能信号异常、脉冲转换板 PCC异常。若LSC故障，任何时候脉冲信号无法驱动模块；若PCC插件异常，发出的每一脉冲的信号都是异常的，会出现无电流或电流一直失控的现象，而不会只在启动之后的第一个1/4周期内异常。脉冲信号在机箱内部传递出现异常，由于无法追踪脉冲信号在内部的传递情况，判断TCU 机箱异常，并更换一架四象限模块。初步分析LCC发出的脉冲信号异常。在后续列车进站检修过程中，证实为LCC模块中的DSP芯片故障，导致无法输出正确的触发脉冲。

4、结论：

文首先分析了高速动车牵引变流器发生故障的种类及相应比重，并选取故障案例中比重最多的四象限变流器的一个案例进行系统的分析，建立了四象限变流器的MATLAB/Simulink仿真模型，分析系统的瞬态直接电流控制的原理，在仿真中模拟可能出现故障的原因，包括变压器二次侧发生异常，变流器内部出现接地等，根据相应的故障现象进行判别，最终确定为LCC模块中的DSP芯片故障，导致无法输出正确的触发脉冲。为探究高速列车中牵引变流器的故障点分析，提出了合理的解决方案，为判断故障类型，保障列车的正常运行奠定了基础。

参考文献：

1. 彭华东, 王慧. CRH2C型动车组牵引变流器故障分析[J]. 铁道技术监督, 2013, 041(003):33-35.

2. Xu C , Chi M R , Dai L , et al. Study of Vertical Characteristics with Changes in Prepressure of Rubber Pad Used by High-Speed EMU[J]. Advances in Materials ence and Engineering, 2020, 2020(1):1-13.

3. 郑文平. 复兴号动车组牵引变流器故障分析[J]. 轨道交通装备与技术, 2019, No.276(05):47-50.

4. 王泽华. CRH统型动车组常见的牵引变流器接地故障的处理[J]. 区域治理, 2018, 000(005):284.

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