摘要：本文针对HXD2大功率电力机车辅助变流器（简称辅变）原理、组成和辅助变流柜柜体布局进行了详细介绍，并分析了辅变故障机理和运行中常见的故障类别及处理方法。
关键词：HXD2 辅助变流器 原理和组成 故障处理
1 引言
HXD2型电力机车是干线货运用八轴大功率交流电传动电力机车。由原中国北车集团大同电力机车有限责任公司与法国阿尔斯通交通运输股份有限公司联合开发。从2006年到2008年，分三个阶段总共交付180台机车，编号为HXD20001-HXD20180，全部配属原太原铁路局湖东机务段，运行于大秦铁路、同蒲线及宁可线，牵引重载货运列车[1]。
辅助变流器是交流传动电力机车必不可少的、重要组成部分，主要为机车辅助负载提供三相或单相交流电源，或为充电机提供供电电源。辅变故障的解决对机车能否正常运行至关重要。
2 辅助变流器
HXD2型电力机车共有A、B两节，每节机车包含1台辅助变流柜，是由两组辅助变流器、一组充电机电路和一组 AC220V 电路组成，其中辅助变流器一组为定频输出，另一组为变频输出。定频输出为泵类等不需要变频功能的负载供电，输出为 380Vac(50Hz)；变频输出为风机类需要变频功能的负载供电,三种输出方式 380Vac(50Hz)、304Vac(40Hz)和 190Vac(25Hz)。
2.1 辅助变流器组成
两组变流器硬件电路和器件参数完全相同，主要由输入电路，中间电路和输出电路组成。
输入电路主要由输入熔断器（CC（ENT）CVS）、电压传感器（CA（U-ENT）CVS）、电压检测器（IT（DC）FI-CVS）、滤波电阻（R-FI（ENT）CVS、滤波电容（CAP-FI（ENT）CVS）、放电电阻 R（DC）FI（ENT）CVS、电流传感器（CA（I-IT）CVS）、斩波模块（PAN-HC-CVS）和滤波电抗器（SF-FI（IT）CVS）等组成；中间电路主要由电压传感器（CA（U-IT）CVS）、电压检测器（IT（DC）FI-CVS）和过压保护模块（PAN-ECR-CVS）组成；输出电路主要由逆变模块（PAN-OND-CVS）、输出滤波电抗器（SF-FI-OND-CVS）、输出电流互感器（TFI-ONDR-CVS、TFI-ONDS-CVS、TFI-ONDT-CVS）、输出电压传感器（CA（U-380）CVS）、输出接触器和故障切换接触器组成[2]。
辅助变流器电路原理和组成示意图如下：
图1：HXD2机车辅助变流器原理和组成示意图
2.2 辅助变流器原理
来自主变流器中间直流电路DC 1 800 V电压通过输入熔断器和R C 吸收电路，送入斩波电路，通过高频斩波控制和滤波电路将DC1 800 V 电压变换为稳定的DC 545 V 中间直流电压，为三相逆变器和充电机供电。其中输入熔断器用于完成辅助电源电路的过流保护，R C 吸收电路用于完成输入电压的浪涌抑制。在DC 545 V 中间直流电路中还接有过压抑制电路，是由晶闸管功率元件、电抗器和相应的控制电路组成，通过斩波限压的原理，将能量消耗在电抗器上，从而抑制DC 545 V 中间直流电路的过电压。三相逆变电路采用IGBT 功率元件和PWM控制原理，将DC 545 V中间电路电压逆变为三相交流电压，一组为变频变压输出（VVVF），一组为恒频恒压（CVCF）输出，再通过三相电抗器限制短路电流和抑制dv/dt值在规定的范围之内，为机车上的三相负载电路供电。
在CVCF逆变器的输出中，还接有AC 380 V/220 V单相变压器，其二次输出和并联的电容器，共同组成AC 220 V的正弦波滤波器，输出标准波形的交流220 V电压，为机车上的AC 220 V 负载提供电源。
在接有CVCF 逆变器的中间直流电路中，还接有充电机电路，其通过电容器组成的半桥电路和IGBT 组成的半桥电路共同组成单相半控桥逆变电路，将D C 545 V 的电压逆变为交流方波电源，开关频率为10 kHz，通过高频变压器隔离变压，再经过全波整流电路和滤波电路输出DC 110 V电压(在20 ℃时)，为机车上DC 110 V 负载供电和为蓄电池充电。
辅助变流器具有完善的故障冗余功能，以确保在单台装置故障时，辅助系统能够正常工作。输入电源互为冗余，CVCF 逆变器和VVVF 逆变器互为冗余，2 节单元机车中的充电机也互为冗余，当一节单元机车中的充电机故障时，另一节机车的充电机可以为整台机车的DC 110 V负载提供电源。
各负载电路具有完善的电气保护功能，能够实现过载、短路和接地等保护以及故障隔离。
3 辅助变流柜
从结构上来说，HXD2机车辅助系统中除辅助负载之外，其他主要装置和功能电路都被集成在辅助变流柜里。整个辅助变流柜采用模块化结构设计，每个辅助变流柜包括两个斩波模块，两个三相逆变模块，两个过压抑制模块，两个输出电抗器，一个充电机模块，一个二极管模块，两套冷却风机组，两套低压控制单元（ACU），一套电流电压检测保护装置，一套预加热装置。
辅助变流柜内部大致分为五个区，分别为模块区、低压控制区、控制单元区、检测保护区和风道区。
（1）模块区包括：一个充电机模块、一个二极管模块、两个斩波模块、两个逆变模块。
（2）低压控制区包括：9 个接触器、5 个过载继电器、17 个断路器、两个电压传感器及端子排组装。
（3）控制单元区包括：两套完全相同的控制单元。
（4）检测保护区包括：6 个电压传感器、4 个电流传感器、380/220V 变压器、2 个熔断器、3 个电容、2 个输出电抗器及 2 个电压抑制器。
（5）风道区包括：2 个三相电抗器、2 个冷却风机组。
4 故障机理及处理方法
辅助变流器严格按照主控MPU的指令调整自身的工作状态，还可实时检测自身运行逻辑，判断故障信息，并及时反馈给MPU，在机车显示屏显示。
当辅助变流器运行过程中出现故障时，ACU能够及时处理，进行脉冲封锁等保护措施，从而避免IGBT、电容、接触器等主电路结构受到损害。并且，当故障消失时ACU重启变流器，故障频率过高时能够隔离变流器。
两种情况会导致辅助变流器隔离：（1）接收到MPU隔离指令；（2）变流器永久故障隔离。变流器隔离后则停止工作，卸除负载。此时即便是满足启动条件也不再启动，只有当接收到隔离解除指令后才恢复至正常状态，允许启动[3]。
一般辅助变流器或充电机故障采用电流、电压传感器信号判断故障状态。根据经验或电路类型，判断在一定时间内，发生几次电流或电压超限事件，或者在一次故障发生时持续的时间长短作为判断依据，从而进行故障报警、或电气保护、或隔离处理。辅助电机或辅助电路故障通过空气断路器或过载继电器状态直接检测辅助电路短路或过载情况，进行故障报警。
根据故障发生的位置不同，辅变常见故障分为控制电路故障、输入电路故障、中间回路故障和输出电路故障[4]。
4.1 控制电路故障
当辅变控制单元ACU与MPU通信出现问题，会出现ACU故障、辅变流隔离和辅变流手动隔离故障。
（1）ACU故障
MPU与ACU通信丢失,请检查MPU与ACU之间的MVB线缆连接以及ACU的供电情况。
（2）辅变流隔离
辅变流失效，请确认故障，并通过显示屏或复位按钮复位故障后手动取消隔离。
（3）辅变流手动隔离
辅变流失效，请确认故障，并通过显示屏手动取消隔离。
4.2 输入电路故障
当辅变输入电压异常时（正常未DC1800V），会出现输入欠压故障、输入过电压故障、输入熔断器故障、输入电路永久故障，辅变隔离。
（1）输入欠压故障
输入中间直流电压小于1500V（500ms后），请检查SCV的高压线路电压和输入电压传感器。
（2）输入过电压故障
输入中间直流电压大于2090V，请检查SCV的高压线路电压和输入电压传感器。
（3）输入熔断器故障
输入熔断器或者辅助触点存在缺陷，请检查熔断器通断状态。
（4）输入电路永久故障
20秒内发生2次故障或输入电路出现直接故障，或者当前1个故障持续20秒。
4.3 中间回路故障
当辅变中间回路电压、电流、温度或部件异常时，会出现中间过压1级故障、中间过压2级故障、中间滤波器短路故障、中间滤波器短路永久故障、斩波器过热故障、斩波器输出过载故障、斩波器输出过流故障、斩波器门级驱动故障、斩波器永久故障、CVS通风故障等。
（1）中间过压1级故障
中间直流电压大于680V，检查斩波器模块工作正常，检查斩波器输出电压传感器。
（2）中间过压2级故障
中间直流电压大于730V，检查斩波器模块工作正常，检查斩波器输出电压传感器。
（3）中间滤波器短路故障
检查确定斩波器（安全可控硅）输出是否出现短路或布线问题。
（4）中间滤波器短路永久故障
在六十分钟内出现中间滤波器短路故障，检查确定斩波器输出是否有短路或布线问题。
（5）斩波器过热故障
斩波器过热，检查SCV的空气过滤器和外部空气过滤器，检查斩波器模块KLIX-HC的温度传感器。
（6）斩波器输出过载故障
中间直流电流大于300A，检查SCV输出端每个负载消耗的功率，检查斩波器的半导体模块，检查斩波器输出电流传感器。
（7）斩波器输出过流故障
中间直流电流大于700A，检查斩波器的半导体模块，检查斩波器输出电流传感器。
（8）斩波器门级驱动故障
检查门级驱动的电源，门级驱动可能有故障，检查斩波器IGBT。
（9）斩波器永久故障
请检查斩波器模块，此故障须将ACU断电复位。
（10）CVS通风故障
检查是否有短路和布线问题，检查SCV风扇电流传感器。
4.4 输出电路故障
当逆变器输出电压或电流异常时，会出现逆变器输出过电压故障、逆变器过载故障、逆变器过流故障、逆变器门极驱动故障（R、S、T）、逆变流永久故障、充电器输出过电压故障、充电器输出欠电压故障、充电器输出过电载故障、充电器面板过热故障、充电器永久故障、紧急接触器不一致性故障、交流输出接触器不一致性故障、充电器门极驱动故障、充电器原边过电流故障、充电器副边过电流故障、牵引风机故障、冷却塔风机故障、蓄电池温度故障等。
（1）逆变器输出过电压故障
逆变器输出电压大于440V，检测逆变器输出无短路或布线问题，检测逆变器输出电压传感器。
（2）逆变器过载故障
逆变器输出电流大于230A，检测逆变器输出无短路或布线问题，检测逆变器输出电流传感器。
（3）逆变器过流故障
逆变器输出电流大于800A，检测逆变器输出无短路或布线问题，检测半导体模块，检测逆变器输出电流传感器。
（4逆变器门极驱动故障（R、S、T）
检测门极驱动的电源，检测逆变器IGBT。
（5）逆变流永久故障
在20秒内有2个计算在内的故障，或者斩波器的直接故障，或是一个故障发生时间超过20秒。
（6）充电器输出过电压故障
充电机输出电压大于145V，检测蓄电池电压传感器。
（7）充电器输出欠电压故障
充电机输出电压小于77V，检测蓄电池电压传感器。
（8）充电器输出过电载故障
充电机输出电流大于140A，检测充电器输出位置无短路或布线问题，检测充电器输出传感器。
（9）充电器面板过热故障
检查SCV的空气过滤器，及外部的过滤器。检测充电器模块KLIX-DPM的温度传感器。
（10）充电器永久故障
60秒之内出现4次计算故障，或充电机出现紧急故障，或出现持续多于60秒钟的故障。
（11）紧急接触器不一致性故障
紧急接触器的控制与实际状态不一致，检查紧急接触器C(SEC)CVS的线圈和紧急接触器。
（12）交流输出接触器不一致性故障
输出接触器的控制与状态不一致，检查输出接触器C(IS)OND-CVS的线圈和辅助触点。
（13）充电器门极驱动故障
检测控制和IGBT的反馈布线，检测门极驱动的电源，检查充电器IGBT。
（14）充电器原边过电流故障
充电机原边电流大于170A，检测充电器变压器输入无短路或布线问题，检查充电器的半导体模块，检查充电器电流传感器。
（15）充电器副边过电流故障
充电机输出电流大于200A，检测充电器变压器输入无短路或布线问题，检查充电器的半导体模块，检查充电器电流传感器。
（16）牵引风机故障
断主断检查牵引风机是否短路或缺相，故障排除后恢复热继。
（17）冷却塔风机故障
断主断检查冷却塔风机是否短路或缺相，故障排除后恢复热继。
（18）蓄电池温度故障
检测蓄电池电路布线，检测蓄电池温度传感器。
5 结束语
通过对HXD2型机车辅助变流器工作原理、组成及辅助变流柜柜体布局进行详细介绍，并分析了辅变故障机理和常见故障及处理方法，为机车售后服务工作人员和机务段检修技术人员提供了辅变故障处理参考方法，提高故障处理效率，保障机车准点上线运行。
参考文献
[1]tc3.HXD2的由来[EB/OL].http://bbs.railcn.net/thread-1174836-1- 1.html,2013-11-13/2018-04-26.
[2]张曙光.HXD2型电力机车[Ｍ].北京：中国铁道出版社，2009:156-157.
[3]张淼.电力机车辅助变流器控制策略研究[D].北京交通大学,2013:44-45.
[4]徐文国. 关于HXD2型电力机车辅助变流器隔离故障原因分析及解决措施[J]. 铁道机车车辆,2014,34(5):4-11.
论文作者:刘雄
论文发表刊物:《电力设备》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/13
标签：故障论文; 斩波器论文; 变流器论文; 电压论文; 电路论文; 逆变器论文; 接触器论文; 《电力设备》2018年第8期论文;