BORDLINE CC400緊湊型變流器的原理分析及故障探究

楊建宇， 朱 波

(長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司， 吉林長(zhǎng)春 130012)

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BORDLINE CC400緊湊型變流器的原理分析及故障探究

楊建宇， 朱 波

(長(zhǎng)春市軌道交通集團(tuán)有限公司， 吉林長(zhǎng)春 130012)

BORDLINE CC400緊湊型變流器是由ABB瑞士有限公司設(shè)計(jì)制造的緊湊式變流裝置，其防護(hù)等級(jí)為IP65，此變流器進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)方便，通過(guò)專業(yè)的監(jiān)控軟件可以對(duì)內(nèi)部信號(hào)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)分析。主要介紹BORDLINE CC400緊湊型變流器的工作原理，根據(jù)此型號(hào)變流器在輕軌車(chē)輛上運(yùn)行幾年來(lái)實(shí)際出現(xiàn)的故障進(jìn)行探討與研究。

緊湊型變流器； 模塊化設(shè)計(jì)； 原理； 故障

長(zhǎng)春輕軌車(chē)輛由兩個(gè)動(dòng)車(chē)模塊和一個(gè)拖車(chē)模塊編組而成，編組方式為Mc1+Tp+Mc2。車(chē)體采用鋁合金結(jié)構(gòu)，由先進(jìn)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)塞拉門(mén)系統(tǒng)，BORDLINE CC400緊湊型變流器控制系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組，受電弓受流系統(tǒng)，車(chē)頭前端事故車(chē)鉤等單元機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

BORDLINE CC400緊湊型變流器是由ABB瑞士有限公司設(shè)計(jì)制造的緊湊式變流裝置(圖1)，其防護(hù)等級(jí)為IP65，此變流器進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，將高壓系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)集成為一體，維護(hù)方便，通過(guò)專業(yè)的監(jiān)控軟件可以對(duì)內(nèi)部信號(hào)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)分析。

1 高壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介

高壓系統(tǒng)采用接觸網(wǎng)受流方式。受電弓安裝在拖車(chē)(Tp)上，DC 750 V高壓母線經(jīng)拖車(chē)(Tp)上的高壓熔斷器，分別送到動(dòng)車(chē)1(Mc1)和動(dòng)車(chē)2(Mc2)的變流器箱內(nèi)。每一牽引變流器經(jīng)一個(gè)熔斷器、一個(gè)直流線斷路器(LCB)和一個(gè)電抗器(MSR1與MSR2模塊)，如圖1所示，與來(lái)自接觸網(wǎng)線的750 V直流電壓連接。用于車(chē)上電源與蓄電池充電(HSR模塊)的直流—直流輔助變流器經(jīng)一個(gè)熔斷器、一個(gè)去耦扼流圈、一個(gè)保護(hù)二極管和一個(gè)預(yù)充電IGBT。

圖1 BORDLINE CC400原理圖

2 牽引系統(tǒng)簡(jiǎn)介

牽引系統(tǒng)的基本任務(wù)就是把輸入的電能轉(zhuǎn)化成車(chē)輛的輪軸牽引力。該牽引變流器模塊(MSR)可以運(yùn)行在四個(gè)象限(前進(jìn)/后退以及牽引/制動(dòng))。頻率范圍從0到137 Hz。通過(guò)脈寬調(diào)制的方式控制牽引逆變器，調(diào)制頻率為2 kHz的常量。在制動(dòng)方式中，制動(dòng)能量經(jīng)中間直流電路反饋至接觸網(wǎng)。制動(dòng)斬波器的位置與牽引逆變器并聯(lián)。在無(wú)能量反饋至接觸網(wǎng)的情況下，制動(dòng)斬波器限制中間直流電路的動(dòng)態(tài)過(guò)電壓，并與外部制動(dòng)電阻一起提供電制動(dòng)功能。每一牽引變流器模塊可獨(dú)立運(yùn)行，這樣在一個(gè)模塊出故障的情況下，變流器仍能以50%的功率輸出運(yùn)行。

3 輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)介

輔助系統(tǒng)主要包括輔助變流器(HSR)、蓄電池、交流負(fù)載的配電保護(hù)、直流負(fù)載的配電保護(hù)、空調(diào)控制、照明控制、輔助變流器(HSR)故障時(shí)的擴(kuò)展供電等。

輔助變流器(HSR)將直流回路電壓轉(zhuǎn)換為AC 380 V三相交流電和DC 24 V直流電。AC 380 V三相交流電為列車(chē)的交流負(fù)載供電；DC 24 V直流則提供直流母線電壓并且為蓄電池充電。

輔助變流器、充電機(jī)均與牽引變流器集成在一個(gè)箱內(nèi)，并安裝在Mc1模塊和Mc2模塊上。正常情況下Mc1模塊的輔助變流器輸出的AC 380 V電源供給Mc1空調(diào)機(jī)組、電熱和Tp模塊的廢排風(fēng)機(jī)，Mc2模塊輸出AC 380 V電源供給Mc2空調(diào)機(jī)組、電熱。當(dāng)車(chē)輛的兩臺(tái)輔助變流器中有一個(gè)發(fā)生故障時(shí)，正常運(yùn)行的那臺(tái)輔助變流器就會(huì)自動(dòng)為故障端的交流負(fù)載提供電能。此時(shí)整車(chē)交流負(fù)載將減載運(yùn)行。

在Mc1和Mc2模塊上各裝有1組少維護(hù)鎘鎳燒結(jié)式堿性蓄電池。兩組蓄電池的輸出端并聯(lián)在DC 24 V列車(chē)母線上。

4 牽引變流器

(1)BORDLINE CC400緊湊型變流器模塊化設(shè)計(jì)。圖2顯示BORDLINE CC400緊湊型變流器的主要模塊MSR、HSR/BL和HBU的位置。

圖2 BORDLINE CC400緊湊型變流器

(2) 牽引型變流器(MSR模塊)

MSR模塊主要由制動(dòng)斬波單元、電容以及牽引逆變單元組成。

牽引電機(jī)由牽引逆變器所產(chǎn)生電壓與頻率均可變化的三相交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)。在四個(gè)象限都可以運(yùn)行(前進(jìn)/后退以及牽引/制動(dòng))。頻率范圍從0到137 Hz。

牽引逆變單元和制動(dòng)斬波單元由大功率的IGBT模塊組成。它們通過(guò)脈寬調(diào)制的方式控制，調(diào)制頻率為2 kHz的常量。

在制動(dòng)方式中，制動(dòng)能量經(jīng)中間直流電路反饋至接觸網(wǎng)。

制動(dòng)斬波器的位置與牽引逆變器并聯(lián)。在無(wú)能量反饋至接觸網(wǎng)的情況下，制動(dòng)斬波器將限制中間直流電路的動(dòng)態(tài)過(guò)電壓，并與外部制動(dòng)電阻一起提供電制動(dòng)功能。

BORDLINE CC400緊湊型變流器包括兩個(gè)一樣的牽引變流器(模塊MSR1和MSR2)，每一牽引變流器模塊可獨(dú)立運(yùn)行，這樣在一個(gè)模塊出故障的情況下，變流器仍能以50%的功率輸出運(yùn)行。

這兩個(gè)變流器安裝在右側(cè)與左側(cè)絞鏈蓋下(關(guān)于位置見(jiàn)圖2)。每一牽引變流器由安裝在水冷式冷卻結(jié)構(gòu)上的4個(gè)IGBT單元(3個(gè)牽引逆變器和1個(gè)制動(dòng)斬波器)、4個(gè)相關(guān)的門(mén)驅(qū)動(dòng)器、4個(gè)電流傳感器以及中間電路組成。中間電路的電容安裝在MSR模塊的下部，具體見(jiàn)圖3。

圖3 牽引變流器(MSR模塊)整體視圖

5 冷卻系統(tǒng)

BORDLINE CC400緊湊型變流器為水冷式。水-空氣熱交換器位于外部冷卻單元(HEX)內(nèi)。

BORDLINE CC400緊湊型變流器裝備有一個(gè)用于主功率元件的水冷卻回路。在每一變流器外殼前面有一個(gè)外部熱交換器(HEX)(見(jiàn)圖4)。

主要分為水冷卻環(huán)路和空氣冷卻環(huán)路。

5.1 水冷卻主環(huán)路

水冷卻主環(huán)路如圖4所示。它負(fù)責(zé)牽引模塊和輔助功率模塊的冷卻。工作介質(zhì)為蒸餾水和乙二醇的混合物，并添加有抑制劑以防止銹蝕(對(duì)于水和乙二醇質(zhì)量的混合技術(shù)規(guī)范為46%:54%)。

5.2 封閉式空氣冷卻環(huán)路

除了水冷卻環(huán)路外，裝配有空氣-水熱交換器的一個(gè)封閉式強(qiáng)迫壓力空氣冷卻環(huán)路安裝在BORDLINE CC400緊湊式變流器中(見(jiàn)圖4)。該冷卻環(huán)路用于消散來(lái)自無(wú)源功率器件(例如電容器、電抗器、配線)以及控制電路的損耗產(chǎn)生的熱量。

圖4 冷卻回路

6 輔助變流器

(1) 輔助變流器(HSR模塊)位置(見(jiàn)圖2)，HSR模塊是一個(gè)獨(dú)立單元，它可獨(dú)立于MSR模塊進(jìn)行操作。

BL模塊是一個(gè)DC-DC輔助變流器,它產(chǎn)生DC 24 V直流電，供給車(chē)上的直流負(fù)載并為蓄電池充電。

HSR模塊為HBU模塊提供600 V直流輸入電壓。

兩個(gè)直流—直流變流器都經(jīng)變壓器進(jìn)行電隔離，且都包括由牽引控制單元經(jīng)門(mén)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制的IGBT模塊。由安裝在水冷式冷卻結(jié)構(gòu)上的功率電子器件、相關(guān)的門(mén)驅(qū)動(dòng)器、電流傳感器和中間電路組成。具體見(jiàn)圖5。

(2) 輔助電源變流器(HBU模塊)

HBU模塊位置(見(jiàn)圖2)。是由兩個(gè)DC-AC變流器(HBU1和HBU2)組成。它們是由牽引控制單元門(mén)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制的IGBT模塊。

HBU1用于列車(chē)的三相交流負(fù)載。

HBU2提供熱交換器冷卻風(fēng)扇的三相交流電源。

車(chē)上交流電源變流器的輸出端接有一個(gè)正弦濾波器用來(lái)將400 V的交流輸出電壓變平滑，從而在輸出端得到正弦電壓。為熱交換器冷卻風(fēng)扇的交流輸出端提供幅度與頻率可變的電壓，其控制取決于熱交換器中的溫度。

圖5 直流-直流變流器(HSR模塊)

HBU模塊是三相交流電源和三相交流冷卻風(fēng)扇電源的直流-交流變流器，其由一個(gè)預(yù)充電的IGBT模塊和安裝在水冷式冷卻結(jié)構(gòu)上的兩個(gè)功率電子器件、相關(guān)的門(mén)驅(qū)動(dòng)器和中間電路組成。具體見(jiàn)圖6。

圖6 直流-交流變流器(HBU模塊)

以上是關(guān)于BORDLINE CC400緊湊型變流器的原理簡(jiǎn)單分析，現(xiàn)根據(jù)工作中遇到的實(shí)際車(chē)輛故障進(jìn)行如下排除。

7 故障探究

(1)故障1

MC1端牽引變流器液位報(bào)警故障的處理過(guò)程。

故障現(xiàn)象：

在對(duì)2019車(chē)調(diào)試過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)IDU顯示屏內(nèi)顯示MC1端"牽引逆變器1報(bào)警"故障，故障寄存器2顯示故障代碼“32”的故障。其含義為：冷卻水位低導(dǎo)致報(bào)警。

處理措施：針對(duì)上述故障信息，我們根據(jù)牽引逆變器冷卻單元保護(hù)電路接線原理圖(圖7)先進(jìn)行了原理分析，后采取了如下處理措施：

圖7 牽引逆變器冷卻單元保護(hù)電路接線原理圖

①更換MC1端牽引逆變器TCU控制板，更換后故障依然存在，故排除TCU控制板故障的情況。

②打開(kāi)牽引逆變器冷卻單元內(nèi)的接線箱，在接線端子上分辨出與報(bào)警(上)液位傳感器及警告(下)液位傳感器相連接的各控制導(dǎo)線，然后進(jìn)行如下測(cè)試：

在冷卻單元接線箱端子的出線端將上液位傳感器信號(hào)線(第7點(diǎn))與下液位傳感器信號(hào)線(第9點(diǎn))對(duì)調(diào)，觀察IDU顯示屏故障依舊。

甩開(kāi)第9點(diǎn)下液位傳感器信號(hào)線，將第7點(diǎn)上液位傳感器信號(hào)線分別接入端子拍第8，9，10點(diǎn)，IDU顯示屏除顯示上述故障信息外，同時(shí)新增加了"牽引逆變器1故障"的故障信息。

甩開(kāi)第7點(diǎn)上液位傳感器信號(hào)線，將第9點(diǎn)下液位傳感器信號(hào)線分別接入第7，8，10點(diǎn)，IDU顯示屏顯示同樣的故障信息。

將第7點(diǎn)及第9點(diǎn)的傳感器信號(hào)線全部甩開(kāi)不接入，IDU顯示屏新增加"牽引逆變器1故障"的故障信息。

此測(cè)試方法可初步認(rèn)為上液位傳感器和下液位傳感器的輸出信號(hào)有所不同，原因是第7，9點(diǎn)的信號(hào)線對(duì)調(diào)后不能消除故障。

③將MC2車(chē)牽引逆變器TCU2控制板X(qián)104的第3點(diǎn)(液位報(bào)警信號(hào)輸入)信號(hào)線W624拆除，用一根導(dǎo)線的一端與W624連接，同時(shí)將這根導(dǎo)線的另一端接入MC1車(chē)牽引逆變器TCU1控制板的X104第3點(diǎn)(之前將該點(diǎn)的W624拆除)，然后給車(chē)組上電，觀察IDU顯示屏牽引逆變器1故障消除，但是牽引逆變器2發(fā)生了報(bào)警和寄存器2出現(xiàn)故障代碼“32”的故障，據(jù)此可判斷是牽引逆變器1冷卻單元“報(bào)警”液位傳感器故障。

此測(cè)試是利用牽引逆變器2冷卻單元正常的上液位傳感器的輸出信號(hào)提供TCU1控制板，通過(guò)測(cè)試結(jié)果可判斷被替換的液位傳感器的好壞。

④從其他牽引逆變器冷卻單元拆除一只上液位傳感器，將該傳感器探頭伸入裝滿水的礦泉水瓶，用膠帶對(duì)瓶口進(jìn)行簡(jiǎn)單密封不至于倒置時(shí)使瓶?jī)?nèi)的水流出。將該傳感器電源負(fù)線“蘭”接入牽引逆變器右側(cè)端子的第7點(diǎn)，正線“絳”接入第8點(diǎn)，將信號(hào)線"黑"用一根短導(dǎo)線連接并接入TCU1控制板的X104第3點(diǎn)，接入前拆除該點(diǎn)W624線。之后將裝有液位傳感器探頭的水瓶倒置，對(duì)車(chē)組上電，發(fā)現(xiàn)逆變器1“報(bào)警”故障及寄存器2故障代碼32消失，由此能證明該液位傳感器是好的，可以進(jìn)行更換。

(2)故障2

MC1端牽引變流器速度信號(hào)異常的處理過(guò)程：

故障現(xiàn)象：2010號(hào)車(chē)在正線運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)IDU顯示屏內(nèi)顯示MC1端"牽引逆變器1報(bào)警"故障，警告寄存器3顯示故障代碼"8"的故障，含義為：M1的電機(jī)速度信號(hào)不正常，由于牽引機(jī)的轉(zhuǎn)速不同步，導(dǎo)致電機(jī)異響及制動(dòng)力減弱。

處理措施：針對(duì)上述故障信息，我們對(duì)2010號(hào)車(chē)MC1端電機(jī)1速度信號(hào)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，確實(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)輛在牽引或制動(dòng)時(shí)第1位電機(jī)明顯快于第2位。

根據(jù)此故障現(xiàn)象我們采取了如下處理措施：

①更換了速度傳感器，故障仍然存在。

②更換了速度傳感器插頭，故障仍然存在。

③更換了BORDLINE CC400變流器的控制板，同時(shí)為了確認(rèn)之前的軟件更新正確，重新更新軟件，但故障仍然存在。

④互換了控制器X10點(diǎn)上1位和2位的連接線(如圖8) 1、2位電機(jī)速度信號(hào)接線，但故障仍然存在于速度傳感器1。

圖8 1、2位電機(jī)速度信號(hào)接線

⑤用一根普通不帶屏蔽的線纜對(duì)從控制器X10 1/2/3/7點(diǎn)一直到速度傳感器插頭(見(jiàn)藍(lán)色框出部分)，見(jiàn)圖9一位電機(jī)速度信號(hào)接線，故障消失，但是當(dāng)更換成原線纜中的備用線時(shí)，故障再次出現(xiàn)，因此懷疑變流器內(nèi)部是否有問(wèn)題。

圖9 一位電機(jī)速度信號(hào)接線

⑥當(dāng)車(chē)輛不帶高壓用外力推車(chē)時(shí)速度信號(hào)正常，但是當(dāng)車(chē)帶高壓駕駛時(shí)故障出現(xiàn)，有兩種可能：

a.速度傳感器信號(hào)在變流器開(kāi)始工作時(shí)受到高壓的干擾。

b.BORDLINE CC400緊湊型變流器的控制器在開(kāi)始工作時(shí)內(nèi)部受到高壓的干擾。

⑦用示波器測(cè)量不同情況下速度傳感器的波形，分別見(jiàn)：圖10變流器帶高壓進(jìn)行駕駛速度波形、圖11變流器不帶高壓用外力推車(chē)時(shí)速度波形。

圖10 變流器帶高壓進(jìn)行駕駛速度波形

圖11 變流器不帶高壓用外力推車(chē)時(shí)速度波形

從圖10中可以明顯看出，信號(hào)受影響非常嚴(yán)重，我們?cè)谥虚g節(jié)點(diǎn)連接正常的情況下校驗(yàn)了傳感器所有連接和屏蔽，一切正常，但是當(dāng)所有連接分開(kāi)、分段測(cè)量便發(fā)現(xiàn)從變流器箱體端部X7連接器到司機(jī)室內(nèi)部屏蔽線沒(méi)有接地，打開(kāi)此線兩端的插頭檢查，發(fā)現(xiàn)在X7端屏蔽線未做接殼連接(未接地)。見(jiàn)圖12 X7接線。

圖12 X7接線

(8)將屏蔽線接地后再用BORDLINE VIEW監(jiān)控，速度信號(hào)恢復(fù)正常，通過(guò)示波器可以看出速度信號(hào)已經(jīng)基本沒(méi)有了干擾，如圖13。

圖13 示波器測(cè)試

速度傳感器速度異常過(guò)快是由于屏蔽層未接地所導(dǎo)致，將屏蔽層按照要求接地后故障消失。

8 結(jié)束語(yǔ)

在介紹BORDLINE CC400緊湊型變流器原理基礎(chǔ)上，更深入的對(duì)實(shí)際車(chē)輛故障進(jìn)行了剖析，根據(jù)發(fā)生不同的故障等級(jí),對(duì)車(chē)輛在線運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了不同層次的影響，從而增加了車(chē)輛在線運(yùn)營(yíng)延誤時(shí)間。

[1] 馮曉云.電力牽引交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)[M].北京：高等教育出版社，2009.

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Principle Analysis and Fault Inquiry of BORDLINE CC400 Intensive Converter

YANGJianyu,ZHUBo

(Changchun Rail Traffic Group Co., Ltd., Changchun 130012 Jilin, China)

BORDLINE CC400 intensive converter is an intensive converter device designed and manufactured by ABB Switzerland Co., Ltd. The protection grade reaches IP65. This converter is modular design, convenient maintenance, and its internal signals' control and data analysis can be performed by professional monitoring software. This paper mainly introduces the working principle of BORDLINE CC400 intensive converter, explores and studies the faults of this converter running on light rail vehicles over the past few years.

intensive converter; modular design; principle; fault

1008-7842 (2015) 03-0105-05

??)男，工程師(

2014-11-03)

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.26