動(dòng)車組拖車空調(diào)壓縮機(jī)過流故障分析與解決

胡亮，易如方，李順，陳湘

（1.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001； 2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

隨著普速鐵路160 km/h動(dòng)力集中動(dòng)車組[1]（以下簡(jiǎn)稱：動(dòng)集）的批量上線，憑借其經(jīng)濟(jì)合理、乘坐舒適、技術(shù)先進(jìn)和運(yùn)用靈活等特點(diǎn)，動(dòng)集深受廣大旅客的好評(píng). 動(dòng)車組拖車空調(diào)采用的是25G型客車的空調(diào)機(jī)組. 該空調(diào)機(jī)組廣泛安裝于25G客車上，是普速鐵路空調(diào)旅客列車的主要設(shè)備. 自2019年CR200J-2008動(dòng)車組投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用以來，該列動(dòng)車組多次在運(yùn)行過程中出現(xiàn)拖車空調(diào)壓縮機(jī)過流故障，該故障頻繁發(fā)生導(dǎo)致部分拖車的空調(diào)制冷停機(jī)，在氣候炎熱地區(qū)空調(diào)制冷故障不僅影響旅客乘車舒適性，甚至危害旅客生命安全，因此該問題亟需解決.

針對(duì)空調(diào)機(jī)組發(fā)生的故障，我國技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，空調(diào)機(jī)組故障主要有制冷系統(tǒng)泄露故障、空調(diào)機(jī)組不制冷故障、制冷不良故障、風(fēng)機(jī)故障和接插件故障等. 文獻(xiàn)[2-6]主要解決了空調(diào)機(jī)組不制冷、制冷效果差、制冷不良等故障. 文獻(xiàn)[7-10]主要解決了空調(diào)機(jī)組壓縮機(jī)故障等問題. 文獻(xiàn)[11-13]主要解決了空調(diào)電氣系統(tǒng)故障等問題. 文獻(xiàn)[14-15]主要對(duì)城軌車輛空調(diào)故障進(jìn)行了分析. 文獻(xiàn)[16]主要解決了DC 600V供電客車空調(diào)機(jī)組主電源加裝漏電保護(hù)斷路器后頻繁出現(xiàn)意外分?jǐn)嗟膯栴}. 但是以上的研究均針對(duì)空調(diào)機(jī)組及其相關(guān)電氣線路的故障情況，并未對(duì)空調(diào)制冷過流誤報(bào)警問題進(jìn)行研究和分析.

本文從鐵路客車空調(diào)機(jī)組原理入手，對(duì)客車逆變電源輸出特性進(jìn)行理論研究，重點(diǎn)分析了動(dòng)集拖車空調(diào)過流故障，經(jīng)過研究對(duì)比和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，找到故障的主要原因，并提出解決方案.

1 存在問題

動(dòng)集拖車采用了原25G型客車，該客車在進(jìn)行普速干線客運(yùn)牽引時(shí)存在客車空調(diào)制冷工況下壓縮機(jī)過流的慣性故障. 處理該類故障時(shí)，一般是更換拖車壓縮機(jī)相應(yīng)的自動(dòng)開關(guān)、接觸器或者車廂控制PLC后，基本能消除壓縮機(jī)過流故障；如果某節(jié)車廂仍頻繁發(fā)生該問題，由于“機(jī)車+客車”牽引模式的易編組性，可采用更換車廂的方式，最終也可以解決該問題.

2020年5月現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用單位反饋CR200J-2008動(dòng)車組自投入運(yùn)行以來，拖車頻繁報(bào)拖車空調(diào)壓縮機(jī)過流故障. 該故障與以往同類故障相比，雖然故障現(xiàn)象一樣，但采用以往的解決方法均無法有效的徹底解決該問題. 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)該故障與以往類似空調(diào)壓縮機(jī)過流故障相比，主要有3個(gè)不同點(diǎn)：1）頻繁報(bào)故障的車組為1、3、5、7（都為奇數(shù)）；2）發(fā)生故障時(shí)刻基本均為動(dòng)車組過分相斷電時(shí)；3）過分相后列車供電（簡(jiǎn)稱：列供）DC 600 V電壓二路電壓下降趨勢(shì)快于一路.

2 基本原理

2.1 空調(diào)供電原理

拖車供電裝置由車端連接器、列供干線、電氣綜合控制柜、變流器、空調(diào)控制柜等組成. 拖車空調(diào)供電原理圖見圖1. 動(dòng)力車提供的2路DC 600 V電源通過車端連接器引入電氣綜合控制柜，通過逆變將DC 600 V變換成三相380 V、50 Hz交流電，通過空調(diào)控制柜向空調(diào)機(jī)組供電.

圖1 拖車空調(diào)供電原理圖

拖車空調(diào)機(jī)組每臺(tái)空調(diào)配置兩個(gè)獨(dú)立制冷系統(tǒng). 壓縮機(jī)將制冷劑壓縮成高溫高壓的蒸氣進(jìn)入風(fēng)冷冷凝器，經(jīng)外界空氣的強(qiáng)制冷卻，冷凝成常溫高壓的液體，進(jìn)入毛細(xì)管降壓，變成低溫低壓的氣液混合冷媒，然后進(jìn)入蒸發(fā)器，吸收流過蒸發(fā)器的空氣的熱量，蒸發(fā)成低溫低壓的蒸氣，最后進(jìn)入氣液分離器，被壓縮機(jī)吸入，完成一個(gè)制冷循環(huán). 壓縮機(jī)不斷工作，達(dá)到連續(xù)制冷的效果.

2.2 壓縮機(jī)保護(hù)原理

1）過載、過流保護(hù)

拖車電氣綜合控制柜是集供電電源轉(zhuǎn)換控制、空調(diào)機(jī)組控制、應(yīng)急電源控制、照明控制、列車網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等功能單元一體的綜合控制柜，它對(duì)空調(diào)機(jī)組壓縮機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)和過流保護(hù). 正常運(yùn)行時(shí)，綜合控制柜內(nèi)的可編程邏輯控制器主機(jī)（簡(jiǎn)稱PLC主機(jī)）通過電流傳感器實(shí)時(shí)采集、檢測(cè)壓縮機(jī)的三相工作電流，當(dāng)測(cè)得壓縮機(jī)線電流為設(shè)定值的1.5倍并持續(xù)1 min，將對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)；當(dāng)測(cè)得壓縮機(jī)線電流為設(shè)定值的2倍并持續(xù)2 s，將對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行過流保護(hù).

2）過流原理

動(dòng)力車列供裝置檢測(cè)到無網(wǎng)壓后，立即封鎖四象限整流器的脈沖，其直流電壓隨著負(fù)載的消耗而緩慢下降. 直流電壓與輸出電壓滿足：

其中uab表示三相輸出線電壓有效值，Ma表示調(diào)制度，Ud表示直流電壓.

拖車逆變電源要求電壓諧波含量不大于5%，為了降低逆變電源的低通濾波器的尺寸以及重量，拖車逆變器的調(diào)制度限制在線性工作區(qū)內(nèi)，即aM的取值范圍為0～0.707.

當(dāng)逆變電源的直流電壓隨著負(fù)載的消耗而逐漸降低后，如三相逆變器封鎖不及時(shí)，將出現(xiàn)三相輸出線電壓逐漸降低的現(xiàn)象，此時(shí)三相逆變器的控制系統(tǒng)控制其頻率輸出仍然設(shè)定為50 Hz，即輸出頻率保持不變，而輸出線電壓下降. 三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與輸入電壓的關(guān)系如下：

其中，T表示轉(zhuǎn)矩，m表示定子相數(shù)，p表示極對(duì)數(shù)，1U表示輸入電壓，2R′表示折算到定子端的轉(zhuǎn)子繞組電阻，s表示轉(zhuǎn)差率，1f表示同步轉(zhuǎn)速，1R表示定子繞組電阻，1Xσ表示定子繞組漏電抗，2Xσ′表示折算到定子端的轉(zhuǎn)子繞組漏電抗，1σ表示校正系數(shù).

從式（2）可以看出轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，假設(shè)正常輸入電壓時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為1T，由于輸入電壓下降使電磁轉(zhuǎn)矩T下降很多，由于此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，所以T小于1T的平衡關(guān)系受到破壞，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，即轉(zhuǎn)差率s增大；它又引起轉(zhuǎn)子電壓平衡的變化，使轉(zhuǎn)子電流增大，轉(zhuǎn)子電流增大也就是造成定子電流隨之增大，導(dǎo)致了此時(shí)的空調(diào)壓縮機(jī)瞬時(shí)輸入峰值過流.

由于空調(diào)壓縮機(jī)輸入峰值過流存在的時(shí)間很短，不足以達(dá)到PLC主機(jī)引發(fā)過流保護(hù)的條件，因此空調(diào)壓縮機(jī)正常關(guān)斷情況下，不會(huì)引起PLC主機(jī)發(fā)出過流信號(hào)，引發(fā)空調(diào)壓縮機(jī)過流保護(hù).

3 原因分析

發(fā)生故障以后，對(duì)拖車進(jìn)行初步的故障排查工作. 通過對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)電流進(jìn)行跟蹤記錄發(fā)現(xiàn)，空調(diào)壓縮機(jī)在工作時(shí)電流正常，不存在瞬間電流過大的情況. 但在過分相斷電時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)存在瞬間沖擊電流過大的情況. 經(jīng)過進(jìn)一步測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電流瞬間沖擊時(shí)間維持在20~40 ms，不足以導(dǎo)致觸發(fā)空調(diào)制冷過流故障. 除了空調(diào)機(jī)組本身故障外，空調(diào)過流還與拖車主要設(shè)備（包括拖車綜合柜內(nèi)自動(dòng)開關(guān)、繼電器、PLC控制器和網(wǎng)絡(luò)模塊等設(shè)備）、動(dòng)力車供電裝置等有關(guān)，需逐一排查.

3.1 配置情況

經(jīng)過普查，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的動(dòng)車組中，除CR200J- 2008動(dòng)車組頻繁報(bào)空調(diào)過流故障外，其他同一區(qū)間的動(dòng)車組未頻繁報(bào)警，因此對(duì)CR200J-2008動(dòng)車組拖車進(jìn)行分析，拖車設(shè)備配置情況見表1.

動(dòng)集采用的是我國普遍運(yùn)用的DC 600 V列供系統(tǒng)[17-19]，動(dòng)車組1/3/5/7車廂為列供一路供電，動(dòng)車組2/4/6/8車廂為列供二路供電. 由表1可知，拖車車下電源逆變器有兩個(gè)供應(yīng)商，其中列供一路供電回路中有一個(gè)車廂是供應(yīng)商B提供的逆變器，列供二路供電回路中均為同一供應(yīng)商A提供的逆變器，初步判斷可能是逆變器供應(yīng)商配置差異導(dǎo)致故障.

表1 拖車主要設(shè)備配置情況

3.2 數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過對(duì)動(dòng)車組3、5車廂空調(diào)故障記錄的列供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：

1）空調(diào)過流故障報(bào)出時(shí)，列供二路輸出電壓小于DC 200 V，輸出電流基本為0A；

2）過分相后，一、二路列供電壓下降趨勢(shì)不同，二路電壓下降趨勢(shì)快于一路電壓，過分相時(shí)列供停止輸出的時(shí)間段內(nèi)，電壓的下降不一致，是由列供裝置輸出特性和后端負(fù)載的配置共同導(dǎo)致的；

3）故障履歷列表顯示：動(dòng)力車運(yùn)行正常，無故障報(bào)警.

3.3 列供測(cè)試

為了驗(yàn)證是否為動(dòng)力車列供電源側(cè)導(dǎo)致故障問題，對(duì)列供電源進(jìn)行了電源特性測(cè)試、空載列供輸出電壓測(cè)試、輕載列供輸出電壓測(cè)試和滿載列供輸出電壓測(cè)試.

電源特性測(cè)試和空載列供輸出電壓測(cè)試結(jié)果表明動(dòng)力車列供裝置狀態(tài)并無異常. 但在輕載和重載列供輸出電壓測(cè)試（投入拖車負(fù)載試驗(yàn)）時(shí)，發(fā)現(xiàn)列供一、二路輸出電壓下降趨勢(shì)不一致. 投入1～8車廂，關(guān)閉所有用電負(fù)載. 然后在該工況下進(jìn)行模擬過分相試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2.

圖2 滿載試驗(yàn)列供一、二路電壓下降趨勢(shì)記錄波形

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)列供過分相時(shí)斷開列供時(shí)間段電壓下降的波形不一致與后端用電負(fù)載的配置有關(guān)，還需對(duì)拖車相關(guān)負(fù)載設(shè)備進(jìn)行深入測(cè)試.

3.4 逆變器試驗(yàn)

由于拖車逆變器采用了兩個(gè)供應(yīng)商（A和B）提供的產(chǎn)品，因此分別選擇01、03兩個(gè)車廂進(jìn)行過分相后的斷電測(cè)試對(duì)比. 圖3為部件供應(yīng)商A和B的逆變器在過分相斷電后的波形圖.

圖3 車廂逆變電源過分相斷電測(cè)試

從圖2可以看出，不同供應(yīng)商提供的逆變電源過分相后關(guān)斷時(shí)間點(diǎn)存在差異. 部件供應(yīng)商A的逆變電源直流電壓在100 ms時(shí)降低到DC 400 V以下，并且在停止輸出的過程中觸發(fā)了峰值過流故障；而部件供應(yīng)商B的逆變電源直流電壓在400 ms時(shí)降低到DC 400 V以下，其輸出電流緩慢下降，停機(jī)的過程中未觸發(fā)輸出峰值過流故障.

3.5 PLC分析

正常供電后，PLC通過電流傳感器實(shí)時(shí)采集壓縮機(jī)電流，電流傳感器互感壓縮機(jī)電流按斜率轉(zhuǎn)變?yōu)镈C 0~10 V電壓，PLC采集0~10 V電壓轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)電流. PLC實(shí)時(shí)判斷采集的壓縮機(jī)電流，當(dāng)壓縮機(jī)電流高于設(shè)定值2倍后開始計(jì)時(shí)，高于2倍設(shè)定值持續(xù)2 s，觸摸屏報(bào)制冷過流故障.

過分相時(shí)，由于動(dòng)力車列供系統(tǒng)要停止DC 600 V供電，拖車DC 600 V設(shè)備也要停止工作. 動(dòng)車組是否在過分相，需要拖車PLC主機(jī)檢測(cè)和比較兩路列供母線電壓來判斷，具體邏輯為：當(dāng)兩路母線電壓均低于DC 400 V時(shí)，PLC判斷動(dòng)車組此時(shí)處于過分相斷電狀態(tài)，切斷拖車逆變器、空調(diào)等設(shè)備的電源. 如果當(dāng)兩路母線的任一路母線電壓低于DC 400 V、而另一路母線電壓高于DC 400 V，PLC不能判斷是否為過分相狀態(tài)，重復(fù)檢測(cè).

對(duì)拖車記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)PLC檢測(cè)到的過電流是過分相后列供斷開輸出的時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的，但由于列供一、二路斷開后短時(shí)內(nèi)電壓下降不一致（具體表現(xiàn)為車輛列供母線電壓一路高于DC 400 V、另一路低于DC 400 V），此時(shí)PLC檢測(cè)到的峰值過流后自身判斷非過分相，PLC將峰值過流故障進(jìn)行了鎖存，當(dāng)延時(shí)重復(fù)持續(xù)到2 s，觸發(fā)空調(diào)過電流報(bào)警邏輯.

4 解決方案

經(jīng)過以上分析可以看出，拖車空調(diào)回路檢測(cè)到過峰值過流，但過流持續(xù)時(shí)間較短且未超過2 s，與其設(shè)定的故障判斷邏輯不符，因此該故障屬于誤報(bào)警. 由于動(dòng)車組過分相后，受拖車負(fù)載斷電后直流電壓下降特性差異的影響，列車兩路DC 600 V母線上電壓下降速度不一致，而PLC過分相邏輯判斷母線電壓下降不一致存在延時(shí)等待問題，最終導(dǎo)致過流故障鎖定后PLC發(fā)出空調(diào)過流的誤報(bào)警. 解決方法可以從解決母線電壓下降不一致和PLC邏輯判斷延時(shí)等待兩個(gè)方面入手.

方案一是在一、二路列供回路中均安裝供應(yīng)商D的拖車逆變器，因逆變器斷電后電壓下降特性基本相同，在拖車過分相后，DC 600 V一、二路列供回路電壓下降時(shí)間基本一致，PLC過分相后的邏輯判斷可以避免延時(shí)等待，達(dá)到過分相后防止空調(diào)過流誤報(bào)警的目的.

方案二是對(duì)PLC檢測(cè)過分相的邏輯進(jìn)行修改，在PLC檢測(cè)到DC 600 V一、二路列供回路電壓下降時(shí)間不一致后，對(duì)延時(shí)等待的邏輯進(jìn)行優(yōu)化，防止PLC檢測(cè)到一路過流后鎖定該故障信息，達(dá)到消除誤報(bào)警故障的目的.

5 建議與探討

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，兩種方案都能有效解決CR200J-2008動(dòng)車組空調(diào)過流報(bào)警問題. 由于25G客車屬于成熟定型產(chǎn)品，更改PLC邏輯涉及到很多方面程序，難度較大，因此實(shí)施方案主要以方案一為主. 此外，建議動(dòng)車組制造商在動(dòng)車組出廠前充分考慮拖車逆變器由于供應(yīng)商不同導(dǎo)致特性的差異，進(jìn)行選擇性的編組，確保動(dòng)集運(yùn)行正常.