TGA9型變流器電流反饋信號(hào)異常報(bào)模塊故障分析

陳林+劉凱+丁培義+張立輝

（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司 湖南 株洲 412001）

摘 要：本文主要介紹了TGA9型變流器所使用的電流傳感器的工作原理，四象限整流的電流控制方法，闡述了變流器由于電流傳感器“M”點(diǎn)脫落，電流傳感器信號(hào)丟失造成報(bào)模塊元件故障的原因以及排查方法。

關(guān)鍵詞：牽引變流器；電流傳感器；過(guò)流

一、電流傳感器的原理介紹

介紹電流傳感器之前，首先初步了解一下我們傳感器裝配的產(chǎn)品-HXD1C型機(jī)車(chē)TCU：

TGA9型變流器（簡(jiǎn)稱(chēng)TCU）應(yīng)用于機(jī)車(chē)軸式為C0-C0，牽引電機(jī)軸功率為1.2MW的六軸7200kW交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)。每臺(tái)機(jī)車(chē)配置兩臺(tái)TCU。TCU輸入端與主變壓器的次邊牽引繞組相連，并通過(guò)接觸器分/合。通過(guò)四象限變流器將單相交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的中間直流電壓。中間直流回路設(shè)有支撐電容、諧振電容、接地檢測(cè)模塊和保護(hù)模塊等。中間電壓經(jīng)過(guò)PWM逆變器轉(zhuǎn)換成三相頻率和電壓可變的輸出電壓供給三相異步牽引電機(jī)。

如圖1所示，原理圖中紅色圈中部分為輸入電流傳感器，是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器。

二、TCU-L2A相下管故障現(xiàn)象以及原因分析

（一）故障現(xiàn)象

機(jī)車(chē)完成C5修后，庫(kù)內(nèi)高壓試驗(yàn)，升弓合主斷提牽引手柄，機(jī)車(chē)正常；機(jī)車(chē)試運(yùn)時(shí)，司機(jī)反饋：升弓合主斷，提牽引手柄大概10s后機(jī)車(chē)報(bào)TCU1 L2A相下管故障，觸發(fā)此故障條件為：驅(qū)動(dòng)板檢測(cè)流過(guò)IGBT電流超過(guò)1600A，下載故障數(shù)據(jù)分析可知：故障時(shí)刻的四象限輸入電流很小，初步判斷為誤報(bào)故障，所以重點(diǎn)排查模塊元件故障反饋環(huán)節(jié)上，根據(jù)四象限模塊元件故障上報(bào)流程進(jìn)行逐一排查，未找到故障原因。因此推翻之前的判斷，假設(shè)是非誤報(bào)故障確實(shí)存在過(guò)流，只是傳感器及線路故障未能反饋電流信號(hào)到DCU（中央處理單元），通過(guò)排查2路輸入電流傳感器及線路檢查：發(fā)現(xiàn)2路四象限輸入電流傳感器LH2“M” （信號(hào)反饋）點(diǎn)脫落?；謴?fù)LH2“M”點(diǎn)接線后，故障消除。于是，問(wèn)題來(lái)了：LH2“M”點(diǎn)脫落，為什么會(huì)造成L2A相下管故障（驅(qū)動(dòng)板檢測(cè)流過(guò)IGBT電流超過(guò)1600A），下面我們來(lái)分析故障原因。

（二）故障原因分析

TGA9型TCU的四象限整流的電流控制方法是直接控制法中的三角波電流比較法，當(dāng)然還存在其它的輔助電路，以確定其輸出更加精確。

電路中包括電流滯環(huán)和電壓環(huán)，電流指令由電壓環(huán)PI輸出和一個(gè)與電壓同相的單位正弦信號(hào)相乘得到，指令電流和反饋電流經(jīng)電流調(diào)節(jié)器后與三角波信號(hào)比較后，得到控制用PWM調(diào)制波，控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，實(shí)現(xiàn)輸出電流跟蹤指令電流，見(jiàn)圖2。

依TGA9型TCU為例進(jìn)行分析：Ud為DCU默認(rèn)的中間直流標(biāo)準(zhǔn)值即1800V，Ur為中間直流電壓傳感器的實(shí)際采集值，ia為四象限輸入電流傳感器的采集值，Uf為中間直流電壓比較值。

直流電壓控制環(huán)調(diào)節(jié)過(guò)程是：Ud與Uf比較后送入PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)器的輸出為一直流電流指令I(lǐng)m。穩(wěn)態(tài)時(shí)，Ud=Uf，PI調(diào)節(jié)器輸入為“0”，PI調(diào)節(jié)器的輸出電流i的大小與整流負(fù)載電流大小相對(duì)應(yīng)。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，直流測(cè)電容C就會(huì)放電使其電壓Uf下降，PI就會(huì)出現(xiàn)正偏差，使其輸出Im增大，穩(wěn)定時(shí)Im穩(wěn)定在較大的值；當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，PI輸出Im也隨著減小，穩(wěn)定時(shí)Im穩(wěn)定在較小的值。

電流滯環(huán)工作流程是：直流電壓控制環(huán)PI輸出Im再乘以其輸入電壓的同步正弦信號(hào)，就得到交流電流的瞬時(shí)值ia*，再與四象限的輸入電流傳感器的采集值相比交后送入電流調(diào)節(jié)器K后與三角波信號(hào)比較后，得到控制用PWM調(diào)制波。

整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程是：當(dāng)負(fù)載增大時(shí)→Ur減小→Ud-Uf 增大→Im增大→ia*增大→ia*-ia增大 →i增大就會(huì)引起控制IGBT的開(kāi)通時(shí)間增大→Uf 增大和ia增大。最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)Im穩(wěn)定在新的較大值上所以ia也穩(wěn)定在新的較大值上。當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，調(diào)節(jié)過(guò)程和上述相反。

結(jié)合我們上述故障現(xiàn)象，電流傳感器“M”脫落就導(dǎo)致ia恒為“0”，但是并不影響直流電壓控制環(huán)工作， ia=0→ i增大就會(huì)引起控制IGBT的開(kāi)通時(shí)間增大→ia增大。達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)，ia會(huì)穩(wěn)定在新的較大值上。所以我們會(huì)出現(xiàn)“M”脫落的那路四象限輸入電流會(huì)越來(lái)越大，當(dāng)達(dá)到一定值后必然會(huì)報(bào)模塊元件故障（驅(qū)動(dòng)板檢測(cè)流過(guò)IGBT電流超過(guò)1600A）。

三、故障反思和改進(jìn)建議

將脫落的電流傳感器LH2“M”點(diǎn)接上后故障消除，試想為什么LH2“M”點(diǎn)脫落庫(kù)內(nèi)高壓試驗(yàn)時(shí)無(wú)法檢測(cè)出故障，機(jī)車(chē)庫(kù)內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，DCU默認(rèn)觸發(fā)第一重四象限脈沖（庫(kù)內(nèi)試驗(yàn)功率達(dá)不到觸發(fā)三重四象限脈沖的要求），因此DCU不會(huì)采集LH2的信號(hào)來(lái)控制整流模塊的PWM調(diào)制波，不會(huì)報(bào)故障，而上線試運(yùn)時(shí)滿足觸發(fā)三重四象限要求，這時(shí)DCU會(huì)觸發(fā)一、二、三重四象限脈沖，DCU就會(huì)采集LH1、LH2、LH3的信號(hào)來(lái)控制四象限模塊的PWM調(diào)制波，導(dǎo)致IGBT過(guò)流報(bào)模塊元件故障。

因此，在后續(xù)HXD1C、HXD1D、HXD1機(jī)車(chē)檢修過(guò)程中，庫(kù)內(nèi)試驗(yàn)時(shí)必須隔離牽引風(fēng)機(jī)，使得DCU觸發(fā)四象限脈沖，從而做到類(lèi)似故障能在庫(kù)內(nèi)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處理故障，試運(yùn)時(shí)發(fā)現(xiàn)故障會(huì)給客戶(hù)交車(chē)造成較大影響。

參考文獻(xiàn)

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