輔助變流器在我國鐵路機(jī)車的應(yīng)用及常見故障分析

張中央，吉鵬霄

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052)

0 輔助變流器應(yīng)用背景

從電力機(jī)車誕生一直到20 世紀(jì)80 年代初期，國內(nèi)外干線電力機(jī)車輔助電路的三相交流電源一直采用旋轉(zhuǎn)式劈相機(jī)把接觸網(wǎng)的單相交流電變?yōu)槿嘟涣麟?。由于劈相機(jī)的噪音大、輸出三相380V 交流電壓大小受接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響大、工作不穩(wěn)定且三相電壓對(duì)稱性不好，造成輔助電動(dòng)機(jī)電磁噪音和損耗增加，影響電力機(jī)車輔機(jī)的正常工作。

鑒于以上原因，國內(nèi)外電力機(jī)車制造廠商都在研發(fā)旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)的替代產(chǎn)品，這就是輔助變流器(簡稱“輔逆變”)，也叫靜止劈相機(jī)，電力電子技術(shù)中稱之為單—三相靜止變流器。20 世紀(jì)80 年代中期，我國從法國進(jìn)口的8K 型電力機(jī)車的輔助系統(tǒng)就是采用了這種靜止劈相機(jī)，在當(dāng)時(shí)屬于先進(jìn)技術(shù)，而與其同期進(jìn)口的日本的6K 型電力機(jī)車采用的還是旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)。限于80 年代電力電子技術(shù)和電力電子器件的發(fā)展水平，8K 型電力機(jī)車的輔助變流器是用GTO 器件作為逆變器的主型元件，設(shè)計(jì)上也存在著一些缺陷和不足，致使在使用過程中GTO 元件經(jīng)常燒毀，出現(xiàn)問題較多。目前電力電子技術(shù)和電力電子器件已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)新的水平，發(fā)達(dá)國家的電力機(jī)車輔助供電系統(tǒng)已普遍采用輔助變流器供電方式。我國有關(guān)制造與研究機(jī)構(gòu)也一直致力于用電力電子裝置替代旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)的研究開發(fā)工作，直到21世紀(jì)初才取得了突破性進(jìn)展，采用IGBT 等新型電力電子器件，成功研發(fā)出新一代電力機(jī)車輔助變流器。這種新一代電力機(jī)車輔助變流器已批量用于國產(chǎn)新型客運(yùn)電力機(jī)車SS9、SS7E的輔助系統(tǒng)和HX 型大功率交流傳動(dòng)機(jī)車，取代一直沿用了40 多年的傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式劈相機(jī)，我國電力機(jī)車技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。采用輔助變流器供電將成為未來鐵路機(jī)車輔助供電系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 輔助變流器的優(yōu)越性

國內(nèi)外電力機(jī)車制造廠商競相用電力電子裝置代替旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)，是因?yàn)殪o止劈相機(jī)有著旋轉(zhuǎn)式劈相機(jī)所無法比擬的優(yōu)越性。

①噪音小，改善乘務(wù)員工作環(huán)境。

②三相交流輸出電壓大小穩(wěn)定。當(dāng)接觸網(wǎng)電壓在19～29kV 的大范圍波動(dòng)時(shí)，由于變流器的中間直流環(huán)節(jié)作用，變流器能向輔助系統(tǒng)提供穩(wěn)定的三相380V 電壓，使輔機(jī)工作不受影響。

③三相交流輸出電壓對(duì)稱。由于應(yīng)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)進(jìn)行單相交流—直流—三相交流變換，可以使變換輸出的三相電達(dá)到完全對(duì)稱，極大改善了輔助電機(jī)的供電質(zhì)量，提高輔助電機(jī)的工作穩(wěn)定性。

④節(jié)能潛力大。由于輔助變流器有一組為變頻變壓(VVVF)逆變器，可以使所有通風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻起動(dòng)，并可隨牽引電流的變化而改變電源頻率，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

⑤提高整流器輸入側(cè)的功率因數(shù)。

⑥變流器為軟起動(dòng)方式，能夠有效減小輔助電機(jī)的起動(dòng)電流。

⑦變流器過載能力強(qiáng)。允許除牽引風(fēng)機(jī)以外的其他輔助電機(jī)突然投入。

⑧簡化機(jī)車輔機(jī)起動(dòng)控制電路，提高系統(tǒng)可靠性。

2 輔助變流器在我國電力機(jī)車的應(yīng)用情況

電力機(jī)車輔助系統(tǒng)中，輔助變流器的整流電路主要有兩種形式:一種是相控橋式整流電路，另一種是脈沖式整流電路。相控橋式整流電路技術(shù)比較成熟，應(yīng)用時(shí)間較長，但其輸入側(cè)功率因數(shù)低，對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重，法國8K 型電力機(jī)車用的就是這種類型。脈沖式整流電路是為了解決相控橋式整流電路存在的缺點(diǎn)而于近幾年首先在鐵路電力機(jī)車上應(yīng)用的，這種整流器能方便地在整流或逆變的四個(gè)象限工作，也稱之為四象限變流器，它可以從電網(wǎng)上獲取與網(wǎng)壓同相位的近似正弦交流電，使電網(wǎng)的污染減小到最小限度。

我國SS7E型電力機(jī)車首次批量采用四象限輔助變流器取代劈相機(jī)，隨后SS9型機(jī)車也開始應(yīng)用，新一代HX 型大功率交流傳動(dòng)機(jī)車均采用輔助變流器。用交直交變流技術(shù)，將機(jī)車提供的單相AC337.8V變換成三相AC380V(PWM 波)，為機(jī)車的三相交流輔助電機(jī)、空調(diào)等提供電源。

3 輔助變流器常見故障分析及解決方法

原鄭州鐵路局鄭州機(jī)務(wù)段與西安機(jī)務(wù)段于2004年開始使用SS7E機(jī)車，2007 年后陸續(xù)配屬批量HX型大功率交流傳動(dòng)機(jī)車。我們對(duì)輔助變流器的應(yīng)用情況進(jìn)行了長期跟蹤調(diào)研，經(jīng)過梳理歸納，運(yùn)用中的主要問題集中在以下方面。

3.1 機(jī)車輔助回路接地或過流，造成輔助變流器不能工作

由于機(jī)車輔助電路的窗加熱、取暖、熱飯箱、空干加熱裝置及三相負(fù)載的故障接地和過流(輔助電路及自帶負(fù)載故障、冷卻水電機(jī)及冷卻風(fēng)扇)等引起輔助回路接地、過流，造成輔助變流器接觸器不吸合，機(jī)車主斷路器跳閘。針對(duì)此類故障，解決辦法如下。

①對(duì)輔助電路的取暖、電爐電路進(jìn)行改造，使上述電路出現(xiàn)接地時(shí)可被完全隔離，維持機(jī)車運(yùn)行。

②對(duì)每臺(tái)輔助變流器柜內(nèi)的自冷風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。給輔助變流柜冷卻用風(fēng)機(jī)電機(jī)安裝座加裝絕緣板、固定螺絲處加橡膠墊圈，防止冷卻風(fēng)機(jī)電機(jī)接地。

3.2 輔助變流器主電路故障不能徹底切除

輔助變流器故障隔離扳鈕在故障位時(shí)，一路切除輔逆變輸出接觸器，另一路切除輔逆變的起動(dòng)信號(hào)，但其主電路中充電回路接觸器卻無法切除。如，SS7E機(jī)車的逆變器V12 回路壓敏電阻擊穿后，由于充電接觸器K4 不能切除，機(jī)車交流輸入340V 長時(shí)間直接加在充電電阻R2、R4 上，而充電電阻的設(shè)計(jì)為短時(shí)工作，導(dǎo)致R2、R4 電阻發(fā)熱嚴(yán)重、燒損內(nèi)部布線等嚴(yán)重后果。

針對(duì)此故障，需要對(duì)輔逆變故障隔離開關(guān)進(jìn)行改造，見圖1。使故障隔離開關(guān)SA31、SA32、SA33、SA34 有一對(duì)節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)切斷充電接觸器K3、K4線圈電路，使K3、K4 節(jié)點(diǎn)斷開，從而斷開主回路的充電電路，這樣就可以避免壓敏電阻(浪涌吸收器)、充電電容擊穿后造成輔逆變主回路充電電阻過熱發(fā)紅而燒損線路;同時(shí)也能避免因此造成的火災(zāi)隱患。

圖1 輔逆變故障隔離開關(guān)改造原理圖

3.3 輔逆變的同步信號(hào)問題

輔逆變的網(wǎng)壓同步信號(hào)取自機(jī)車車頂?shù)母邏弘妷夯ジ衅?，由于未使用屏蔽線，機(jī)車輔逆變及各輔機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾，以及電網(wǎng)諧波的沖擊都會(huì)影響網(wǎng)壓同步信號(hào)，使觸發(fā)電路不能正常工作。

解決方法:把輔逆變網(wǎng)壓同步信號(hào)線換為雙絞屏蔽線，即從主變器端子排至I、II 端司機(jī)室接線端子、排到輔逆變的控制插座信號(hào)線全部采用雙絞屏蔽線。這樣可有效減少電磁干擾。

3.4 主變壓器風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)過流對(duì)輔助變流器的影響

由于主變壓器散熱器積灰較多，造成風(fēng)阻變大，主變風(fēng)機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)速下降，從而造成主變風(fēng)機(jī)過流。部分機(jī)車由于壓縮機(jī)逆止閥不良，列車總風(fēng)缸風(fēng)壓竄進(jìn)壓縮機(jī)，造成壓縮機(jī)在起動(dòng)時(shí)電流過大，從而造成輔助變流器過流保護(hù)。在輔逆變負(fù)載電流突然增大時(shí)，與輔逆變主電路串聯(lián)的電感L 上的電流不會(huì)突變，從而導(dǎo)致中間支撐電容放電，其中間直流環(huán)節(jié)電壓減小。此時(shí)微機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)還來不及調(diào)節(jié)，造成輔逆變中間直流電壓降低，導(dǎo)致主控板紅燈亮，顯示整流器故障。解決方法如下:

①改進(jìn)設(shè)計(jì)程序，進(jìn)一步提高微機(jī)控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)響應(yīng)速度，增強(qiáng)其可靠性;

②機(jī)車小修時(shí)，對(duì)主變散熱器進(jìn)行沖洗，確保主變風(fēng)機(jī)風(fēng)路暢通，減少風(fēng)阻;

③機(jī)車小修時(shí)，對(duì)壓縮機(jī)逆止閥進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)不良要及時(shí)更換。

3.5 輔助變流器工作環(huán)境影響產(chǎn)生的故障

新型機(jī)車采用獨(dú)立通風(fēng)系統(tǒng)，機(jī)車一旦工作，輔助變流器就投入運(yùn)行，散熱器及空氣濾網(wǎng)上的灰塵聚集非常厲害，會(huì)造成散熱器散熱不良而保護(hù)(散熱器安裝有熱保護(hù)溫控器)引起變流器不能正常工作。HXD3 型機(jī)車從200 號(hào)機(jī)車以后改風(fēng)冷為水冷，解決了這個(gè)問題。另外，由于車內(nèi)環(huán)境空氣不潔，造成變流器的模塊上有灰塵，絕緣降低，會(huì)造成模塊間放炮。

4 結(jié)論

我國新型機(jī)車應(yīng)用輔助變流器代替旋轉(zhuǎn)劈相機(jī)是電力機(jī)車技術(shù)的一大進(jìn)步，雖然存在著一些問題，但由于新型機(jī)車采用了先進(jìn)的微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，一般情況下，變流器工作過程中出現(xiàn)的瞬間故障，微機(jī)通過封鎖變流器即可進(jìn)行保護(hù)，重新啟動(dòng)復(fù)位;機(jī)車運(yùn)行中乘務(wù)員可以通過手觸微機(jī)顯示屏，切除故障一組輔助變流器，用另外一組代替其工作進(jìn)行應(yīng)急處理，從而維持機(jī)車運(yùn)行。只要機(jī)車乘務(wù)、檢修工作人員按章檢查、檢修、維護(hù)保養(yǎng)，制造廠商根據(jù)各運(yùn)用單位反饋意見不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，輔助變流器一定會(huì)順利替代旋轉(zhuǎn)式劈相機(jī)，顯示出其無比的優(yōu)越性。

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