HXD1型神華號(hào)電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)及典型故障案例解析

摘 ?要：神華八軸大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車是為適應(yīng)神華鐵路運(yùn)輸需求，由神華集團(tuán)和南車株洲電力機(jī)車有限責(zé)任公司共同研制的干線貨運(yùn)交流傳動(dòng)電力機(jī)車，隨著總線技術(shù)與微機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代列車的控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展為基于通信你網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)，HXD1型電力機(jī)車是在我國(guó)引進(jìn)德國(guó)西門子公司DJ4型機(jī)車的基礎(chǔ)上生產(chǎn)的干線交流傳動(dòng)大功率貨運(yùn)電力機(jī)車，其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用了株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司研發(fā)的具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的DTECS系統(tǒng)，本文詳細(xì)闡述了HXD1型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的功能及牽引變流器、TCU的邏輯控制，最后結(jié)合故障案例針對(duì)朔黃鐵路HXD1型神華號(hào)電力機(jī)車TCU充電超時(shí)判斷原理，并進(jìn)行了相應(yīng)的總結(jié)。

關(guān)鍵詞：HXD1型電力機(jī)車;網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);牽引變流器

前言：

HXD1型電力機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，采用分布式列車電子控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱DTECS （Electric Control System）。DTECS 是專為軌道車輛的控制和通信而設(shè)計(jì)的一套車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要完成軌道車輛的通信管理、功能控制、故障診斷、信息顯示和事件記錄等功能。DTECS 是基于TCN（Train Communication Network）Distribute Train 的新一代網(wǎng)絡(luò)通信和控制系統(tǒng)，TDS軟件是本公司專門為HXD1交流機(jī)車下載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和分析開發(fā)設(shè)計(jì)的。可根據(jù)不同的車型選擇不同的工程文件，適用性廣。

一、HXD1型機(jī)車網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)簡(jiǎn)介

TDS軟件主要有5大功能菜單：工程、工程設(shè)置、數(shù)據(jù)下載、嚴(yán)重故障分析和事件記錄分析。

（一）工程選項(xiàng)：TDS軟件不單單是為HXD1機(jī)車設(shè)計(jì)的，分析不同車型的文件可以選擇不同的工程文件，如：京鐵八機(jī)車、神華十二軸機(jī)車、神華八軸機(jī)車。

（二）工程設(shè)置：此選項(xiàng)一般情況下是不允許進(jìn)行修改設(shè)置的，它包含了基本信息設(shè)置、配置文件版本的最新修正時(shí)間、故障清單設(shè)置，故障清單設(shè)置里面囊括了機(jī)車上報(bào)的所有故障代碼、故障描述以及簡(jiǎn)單的應(yīng)急處理描述。

（三）數(shù)據(jù)下載：依次點(diǎn)擊控制面板-網(wǎng)絡(luò)連接-本地連接-點(diǎn)擊右鍵-屬性-雙擊Intetnet協(xié)議（TCP/IP），在所出現(xiàn)的對(duì)話框中，輸入IP地址：169.254.147.108;子網(wǎng)掩碼：255.255.0.0。

點(diǎn)開數(shù)據(jù)下載首先要修改IP地址，數(shù)據(jù)記錄是記錄在ERM模塊上邊的，ERM模塊A、B 節(jié)的IP地址是不同的，A節(jié)為169.254.147.107，B節(jié)為169.254.147.117，C節(jié)為169.254.147.127，在數(shù)據(jù)下載選項(xiàng)選擇嚴(yán)重故障和事件記錄，嚴(yán)重故障和事件記錄不能同時(shí)選擇，必須分開下載，點(diǎn)擊嚴(yán)重故障下載后出現(xiàn)的對(duì)話框中輸入車號(hào)區(qū)分AB節(jié)，事件記錄下載是按照時(shí)間命名的，注意下載的數(shù)據(jù)里必須包含故障時(shí)間，最多只能選擇3個(gè)文件包。

（四）嚴(yán)重故障分析：通過(guò)嚴(yán)重故障下載分析可以了解機(jī)車當(dāng)時(shí)或某一時(shí)刻發(fā)生的故障，找到故障時(shí)間點(diǎn)報(bào)的故障，特別注意要上下故障需結(jié)合分析

（五）事件記錄分析：事件記錄是機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)記錄，事件記錄分析時(shí)，需根據(jù)所報(bào)的故障，選擇需要的數(shù)字量和模擬量，然后點(diǎn)擊數(shù)據(jù)波形或者數(shù)據(jù)列表分析

二、TGA6C型牽引變流器簡(jiǎn)介

HXD1型機(jī)車采用TGA6C型牽引變流器（以下簡(jiǎn)稱為牽引變流器），其設(shè)計(jì)充分借鑒了時(shí)代電氣前期開發(fā)研制的HXD1C型電力機(jī)車牽引變流器的經(jīng)驗(yàn)和成熟技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了主輔一體化。

（一）牽引變流器主電路工作原理

牽引變壓器牽引繞組a1-x1輸入電壓首先經(jīng)由KM3A、R1A組成的充電回路對(duì)直流回路的支撐電容充電，此時(shí)充電接觸器吸合8秒后，并中間直流電壓達(dá)到1100V時(shí)TCU發(fā)出閉合短接接觸器KM1A、KM2A的命令。

牽引工況時(shí)單相工頻電網(wǎng)電壓經(jīng)四象限PWM整流器整流為1800V直流電壓，再經(jīng)逆變器逆變?yōu)槿郪VVF電壓供給牽引電機(jī);輔助變流器并聯(lián)在中間直流回路，經(jīng)輔助變壓器輸出AC440V（TCU1輔逆變?yōu)閂VVF（變頻）輸出，TCU2輔逆變?yōu)镃VCF（恒頻）輸出），供給機(jī)車上的輔助設(shè)備供電（如牽引風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、充電機(jī)）。

再生制動(dòng)工況時(shí)牽引電機(jī)發(fā)出的三相電壓經(jīng)主變逆變模塊整流后，再經(jīng)四象限模塊逆變通過(guò)牽引變壓器、受電弓反饋回電網(wǎng)。

電抗器L2A和C3A～C6A組成二次諧振回路，用于濾除四象限PWM整流器輸出的二次諧波電流。

RCH1A為過(guò)壓斬波電阻，用于直流回路的過(guò)電壓抑制及停機(jī)后的快速放電。

R3A、R4A為固定放電電阻，用于快速放電回路故障后將支撐電容上的電壓放至安全電壓以下;同時(shí)該電阻也作為直流分壓電阻，中點(diǎn)接地，用于變流器主電路接地檢測(cè)。

LH1A和LH3A、LH4A為電流傳感器，分別用于檢測(cè)變流器輸入和輸出電流;VH2A、VH3A和VH1A為電壓傳感器，分別用于檢測(cè)變流器直流回路電壓和半電壓。

（二）牽引變流器電路介紹

1.四象限整流電路，該電路由預(yù)充電電路、四象限整流器、輸入電流傳感器等部件構(gòu)成（每個(gè)臂由兩個(gè)IGBT模塊并聯(lián)組成）

2.中間直流電路，中間直流電路由支撐電容、中間電壓傳感器、固定放電電阻、二次濾波LC諧振電路和接地保護(hù)電路組成。電路主要作用：能量?jī)?chǔ)存、平衡及濾波、無(wú)功功率交換、主電路接地保護(hù)等作用。

3.二次濾波電路，該電路由二次濾波電抗器和二次濾波電容器組成。諧振頻率為100Hz，用于濾除四象限PWM整流器輸出的二次諧波電流。

4.接地保護(hù)電路，該電路由接地電阻R3、R4、中間半電壓傳感器VH3、中間全電壓傳感器VH1、VH2構(gòu)成。

5.主逆變電路，一個(gè)變流柜由四個(gè)相同的主逆變器模塊，每個(gè)逆變器模塊由過(guò)壓斬波橋臂和逆變器構(gòu)成。四象限整流模塊和主逆變器模塊在結(jié)構(gòu)上完全相同，可以互換。

6.輔逆變電路，輔助變流器并聯(lián)在中間直流回路，經(jīng)輔助變壓器輸出AC440V（TCU1輔逆變?yōu)閂VVF輸出，TCU2輔逆變?yōu)镃VCF輸出），供給機(jī)車上的輔助設(shè)備供電（如牽引風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、充電機(jī)等）

7.斬波電路，過(guò)壓斬波（直流放電）保護(hù)電路由過(guò)壓斬波電阻、電流傳感器及斬波管組成。當(dāng)中間直流側(cè)電壓過(guò)高時(shí)，開通斬波電路，將能量通過(guò)電阻以熱能的方式消耗。

三、TCU控制單元簡(jiǎn)介

每臺(tái)牽引變流器內(nèi)都有兩個(gè)專門的TCU（傳動(dòng)控制單元）。 TCU用于監(jiān)視和控制、調(diào)節(jié)牽引變流器。

（一）TCU控制主電路原理

TCU控制主電路采用PWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)四象限脈沖整流器控制，采用直接轉(zhuǎn)矩控制完成對(duì)異步牽引電動(dòng)機(jī)的精確轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)完全微機(jī)化、數(shù)字化的實(shí)時(shí)控制。

TCU具有符合列車通信網(wǎng)絡(luò)（TCN）IEC61375標(biāo)準(zhǔn)的MVB通信接口，對(duì)外與車輛總線相連，與中央控制單元等形成控制與通信系統(tǒng)。TCU內(nèi)部則構(gòu)成并行AMS總線。TCU控制原理圖（如圖1）。

機(jī)車級(jí)的控制功能是根據(jù)司機(jī)指令完成對(duì)機(jī)車牽引/制動(dòng)特性控制和邏輯控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)主電路中接觸器的通斷控制和牽引變流器的啟/?？刂?，計(jì)算列車所需的牽引/電制動(dòng)力等。

（二）TCU的主要保護(hù)功能

1.電網(wǎng)過(guò)壓、欠壓保護(hù);2.中間直流過(guò)壓、欠壓保護(hù);3.原變電流、接地保護(hù);4.IGBT元件保護(hù);5.主回路接地保護(hù);6.四象限整流器輸入過(guò)流保護(hù);7.逆變器、斬波器輸出過(guò)流保護(hù);8.電機(jī)三相不平衡、缺相保護(hù);9.變流器模塊過(guò)熱保護(hù);10.變流器水溫過(guò)高保護(hù);11.變流器冷卻水壓過(guò)高、過(guò)低保護(hù);12.接觸器卡分、卡合保護(hù)。

（三）TCU主要控制功能

1.電傳動(dòng)系統(tǒng)的邏輯控制;2.牽引和制動(dòng)的特性計(jì)算;3.四象限PWM整流器控制;4.異步牽引電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制;5.機(jī)車牽引時(shí)空轉(zhuǎn)、制動(dòng)時(shí)滑行保護(hù)的控制、機(jī)車粘著利用控制;6.變流系統(tǒng)的保護(hù)、故障記錄、診斷。

（四）TCU各插件功能

1、脈沖轉(zhuǎn)換板

將LCC/MCC發(fā)出的、PWM信號(hào)由5V轉(zhuǎn)換到24V輸出，接收模塊脈沖分配來(lái)的元件狀態(tài)、故障保護(hù)的24V信號(hào)，轉(zhuǎn)換成5V信號(hào)，送網(wǎng)側(cè)信號(hào)/電機(jī)信號(hào)插件保護(hù)

2、模擬輸入板（APA、APB）

每塊插件有18路模擬量處理通道。每個(gè)通道可采樣的信號(hào)形式為電流、電壓或輸出恒流源提供給電阻（溫度傳感器如PT100），然后采樣電阻兩端的電壓差

3、網(wǎng)側(cè)信號(hào)（LSC）

網(wǎng)側(cè)信號(hào)是網(wǎng)側(cè)控制的外圍板，其主要功能：（1）對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、整流、放大等處理以形成網(wǎng)壓瞬時(shí)值、有效值、網(wǎng)壓同步信號(hào);（2）對(duì)三重四象限輸入電流信號(hào)進(jìn)行濾波、整流、放大等處理以形成電流瞬時(shí)值、有效值、電流同步信號(hào)、過(guò)流信號(hào);（3）對(duì)中間直流電壓進(jìn)行低通濾波、放大等處理以形成直流電壓值、過(guò)壓信號(hào);（4）對(duì)主電路接地電壓信號(hào)進(jìn)行低通濾波、放大等處理并與中間直流電壓進(jìn)行合成，以形成主電路接地保護(hù)信號(hào);（5）對(duì)原邊電流、反饋電流進(jìn)行濾波、放大等處理以形成原邊電流值、反饋電流值;采樣四象限變流器元件的工作狀態(tài)和故障信息;（6）通過(guò)AMS總線把所有的故障信息傳遞給SMC進(jìn)行處理。

4、電機(jī)信號(hào)板（MSC）

電機(jī)側(cè)控制的外圍板，其主要功能：（1）速度信號(hào)進(jìn)行濾波處理、二選一;（2）具有三重牽引逆變器輸出過(guò)流保護(hù)、中間直流電壓過(guò)壓保護(hù)、斬波過(guò)流保護(hù)、接地;（3）保護(hù);并采集三個(gè)牽引逆變器機(jī)組的所有IGBT元件故障信息;（4）通過(guò)AMS總線把所有的故障信息傳遞給SMC插件進(jìn)行處理;

5、電機(jī)控制板（MCC）

MCC采用直接轉(zhuǎn)矩控制，對(duì)電機(jī)電流等采用瞬時(shí)值控制

6、SMC板

為TCU提供MVB通信接口，完成管理AMS總線，車輛邏輯單元的控制;牽引/制動(dòng)特性控制;故障的傳遞及記錄等功能。

7、數(shù)字入出板（DIO）

數(shù)字量輸入環(huán)節(jié)主要通過(guò)光電隔離和轉(zhuǎn)換將外部110V的指令信號(hào)，如系統(tǒng)工作命令，系統(tǒng)復(fù)位指令及接觸器閉合反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)管理單元能夠識(shí)別的高，低電平信號(hào); 數(shù)字量輸出環(huán)節(jié)主要將系統(tǒng)的高、低電平信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離轉(zhuǎn)換成110V信號(hào)向外提供系統(tǒng)的狀態(tài)。

8、開關(guān)電源板

主要為機(jī)箱提供+5V、+15V、-15V、+24V、-24V，為機(jī)箱內(nèi)各插件、風(fēng)扇層、電流、電壓傳感器、速度傳感器等提供電源。

四、典型故障案例解析

（一）事件概況：

2020年6月20日朔黃鐵路機(jī)務(wù)段HXD18018機(jī)車按計(jì)劃下行端接班，13點(diǎn)30司機(jī)開始進(jìn)行出庫(kù)前的各項(xiàng)功能檢查試驗(yàn)，機(jī)車高壓試驗(yàn)過(guò)程中，B節(jié)為司機(jī)室占用端，主斷閉合后，IDU顯示屏報(bào)B節(jié)輔逆1隔離故障。

（二）處理過(guò)程

根據(jù)故障現(xiàn)象觀察，當(dāng)機(jī)車報(bào)TCU充電超時(shí)故障時(shí)，機(jī)車主斷跳開。因此，可以判斷這是一個(gè)真實(shí)TCU故障保護(hù)現(xiàn)象。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)車閉合主斷后，通過(guò)司機(jī)室狀態(tài)顯示屏觀察，主變流器1中間直流電壓為“0”，主變流器2中間直流電壓達(dá)到250V～350V之間后，TCU保護(hù)性分主斷，司機(jī)顯示屏報(bào)輔逆1隔離，下載TCU故障數(shù)據(jù)并結(jié)合故障現(xiàn)象，判斷為此故障由TCU1充電超時(shí)引起的分主斷保護(hù)。

考慮到上班司機(jī)退勤并沒(méi)有出現(xiàn)此故障，因此，將主變流柜打開，外部檢查充電接觸器、充電回路接線、中間直流電壓傳感器VH1、VH2等均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異常。初步判定為充電接觸器卡分。

（三）機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)分析

下載TCU故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：通過(guò)嚴(yán)重故障分析可以了解到故障在2020年6月20日13點(diǎn)49分58秒出現(xiàn)充電超時(shí)故障，13點(diǎn)49分59秒TCU保護(hù)性分主斷，13點(diǎn)50分02秒輔逆1 隔離、牽引電機(jī)1隔離、牽引電機(jī)2隔離。

通過(guò)事件記錄分析可以了解到在13點(diǎn)49分52秒司機(jī)閉合主斷，在13點(diǎn)49分56秒-58秒的時(shí)間里TCU1-CCU：1MGr1充電接觸器狀態(tài)及TCU2-CCU：2MGr1充電接觸器狀態(tài)為高電平，但TCU1一重中間直流電壓數(shù)值為0V，TCU1二重中間直流電壓數(shù)值為2V（此電壓數(shù)值可以忽略不計(jì)），TCU2一重中間直流電壓數(shù)值為311V，TCU2二重中間直流電壓數(shù)值為307V，在13點(diǎn)49分59秒主斷斷開。

從故障數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)TCU1-CCU：1MGr1充電接觸器閉合后，經(jīng)過(guò)1秒左右，TCU1中間直流電壓為上升，首先我們要先了解TCU充電超時(shí)故障判斷原理。

HXD1型機(jī)車TCU充電超時(shí)故障判斷原理：

（1）1秒后

當(dāng)充電接觸器閉合1秒后，VH2與VH3電壓傳感器反饋值取最小值后與門檻值（該值由TCU實(shí)時(shí)計(jì)算，計(jì)算方法為：當(dāng)前網(wǎng)壓/k，其中k為常數(shù)）比較，若偏小，則判斷為充電超時(shí)。

（2）12秒后

VH2與VH3電壓傳感器反饋值取最小值后與門檻值（該值由TCU實(shí)時(shí)計(jì)算，計(jì)算方法為：k*當(dāng)前網(wǎng)壓值+20，其中k為常數(shù)）比較，若偏小，則判斷為充電超時(shí)。

根據(jù)故障現(xiàn)象觀察，故障時(shí)刻發(fā)生在TCU充電接觸器閉合之后的1秒左右，因此，可根據(jù)HXD1型機(jī)車TCU充電超時(shí)判斷原理的第1種情況進(jìn)行分析?；谏鲜龉收吓袛嘣砑肮收犀F(xiàn)象分析，我們初步分析認(rèn)為，故障原因?yàn)門CU1充電接觸器卡分或接觸器觸頭接觸不良導(dǎo)致的TCU分主斷保護(hù)，于是我們更換TCU1充電接觸器后，反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，故障現(xiàn)象消除。

五、結(jié)語(yǔ)

HXD1型神華號(hào)電力機(jī)車是一種在具體性技術(shù)方面經(jīng)過(guò)眾多完善的一種全新機(jī)車，擁有先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的鐵路重載貨運(yùn)新型交流電力機(jī)車，是朔黃鐵路機(jī)務(wù)段的主力車型，擔(dān)當(dāng)至關(guān)重要的重載任務(wù)，為了不影響機(jī)車運(yùn)行，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)如何快捷有效的找到故障點(diǎn)，并在最短的時(shí)間處理故障成為重重之重，TDS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能夠有效的判斷故障的發(fā)生時(shí)間、現(xiàn)象，鎖定故障范圍，為故障處理提供了可靠的依據(jù)，提高處理故障的作業(yè)效率，為機(jī)車安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了先決條件。

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作者簡(jiǎn)介：

董?。?991-），男，河北省唐山市，技術(shù)員，2019年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，現(xiàn)就職于朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，通訊地址：河北省滄州市肅寧縣朔黃鐵路機(jī)輛分公司。