HXD1型牽引變流器模塊檢修數(shù)據(jù)研究及運(yùn)用

龔菊芳

（中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司廣州機(jī)車檢修段）

0 引言

近年來(lái)，隨著和諧型電力機(jī)車運(yùn)用時(shí)間增加，牽引變流器核心器件IGBT故障日益顯現(xiàn)，嚴(yán)重影響列車的運(yùn)用可靠性。其中牽引變流器IGBT元件失效后，不僅會(huì)造成機(jī)車損失某個(gè)電機(jī)或某架的牽引力，影響機(jī)車牽引力發(fā)揮；嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)造成周邊電路和部件損環(huán)，存有較大運(yùn)行安全隱患。如何有效降低IGBT故障的發(fā)生，提升牽引變流器可靠性，成為當(dāng)前亟待解決的主要問(wèn)題之一。

1 變流器模塊功能原理

變流器是一種電能變換裝置[1]，HXD1型機(jī)車牽引變流器采用以IGBT為功率元件的水冷變流器模塊[2]，每柜裝有8個(gè)主變流器模塊（四象限、牽引逆變器模塊各4個(gè)）。每個(gè)變流器模塊包含8個(gè)IGBT元件組成4個(gè)變流橋臂（如圖1、圖2所示）。變流器模塊實(shí)現(xiàn)互換、模塊化等便于維護(hù)性設(shè)計(jì)，兩種變流模塊可完全互換，通過(guò)控制信號(hào)自動(dòng)識(shí)別判斷是四象限整流還是逆變模式。如圖1所示，由于四象限輸入電流較大，采用雙橋臂并聯(lián)分流。IGBT并聯(lián)須考慮均流性，否則并聯(lián)運(yùn)行中就會(huì)出現(xiàn)電流分配不均勻或過(guò)流保護(hù)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞IGBT元件。因此在設(shè)計(jì)和維修更換IGBT元件時(shí)須考慮并聯(lián)均流要素。

圖1 四象限模塊主電路

變流器模塊主要由IGBT功率元件、驅(qū)動(dòng)板、檢測(cè)板、脈沖分配板等保護(hù)監(jiān)測(cè)單元組成。IGBT是電子開(kāi)關(guān)元件，其開(kāi)通和關(guān)斷的頻率相對(duì)較高。

舉例說(shuō)明四象限整流模塊從無(wú)電流狀態(tài)開(kāi)始的工作過(guò)程。如圖3、圖4所示，如果在正半波時(shí)，S2或S3兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)中的一個(gè)處于開(kāi)通狀態(tài)，變壓器次邊繞組處于短路狀態(tài)，電流開(kāi)始上升。此時(shí)，如果原來(lái)開(kāi)通的IGBT關(guān)斷，由于變壓器的漏電感，電流不能被中斷。電流通過(guò)IGBT開(kāi)關(guān)S1或S4的續(xù)流二極管流入直流支撐回路并緩慢降低。利用這一原理，電流就可以圍繞一個(gè)參考值上下波動(dòng)且cosφ和直流支撐電壓值能保持在要求的范圍內(nèi)。IGBT開(kāi)關(guān)頻率決定每個(gè)周期的脈沖數(shù)量，脈沖頻率越高，電流值能越精確地追蹤參考電流值。圖3中LN輸入電抗器（主變繞組制作中已考慮其電感量），在牽引工作狀態(tài)下，主要起儲(chǔ)能作用，形成正弦電流波形；在電制回饋狀態(tài)下，主要起濾波作用，濾掉電流波形的高頻成分。

圖2 逆變流器模塊主電路

圖3 四象限整流原理圖

圖4 四象限電流/電壓波形

2 原因分析

（1）IGBT故障診斷機(jī)理

變流器模塊設(shè)置了過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)功能，如圖5所示，以逆變器模塊為例，正常工作時(shí)，脈沖分配板將傳動(dòng)控制單元（簡(jiǎn)稱“DCU”）發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)死區(qū)處理、最小脈寬處理后轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)發(fā)送給IGBT驅(qū)動(dòng)電路，IGBT驅(qū)動(dòng)電路將接受的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合IGBT驅(qū)動(dòng)的電信號(hào)控制IGBT的通斷，從而控制IGBT橋臂的工作狀態(tài)。

圖5 變流器模塊保護(hù)原理圖

一旦IGBT驅(qū)動(dòng)板檢測(cè)到IGBT元件出現(xiàn)過(guò)流或短路故障，迅速關(guān)斷IGBT元件，同時(shí)將故障狀態(tài)通過(guò)光纖反饋給脈沖分配板，脈沖分配板封鎖其他元件的脈沖輸出，同時(shí)將故障狀態(tài)反饋給DCU進(jìn)行保護(hù)，并通過(guò)顯示屏提示對(duì)應(yīng)“管故障”信息。

（2）故障原因分析

管故障的引發(fā)因素可以分為兩種：一種是器件本身失效引發(fā)控制電路保護(hù)；一種是外部因素誘發(fā)控制電路保護(hù)。

第一類典型表現(xiàn)為：變流模塊驅(qū)動(dòng)裝置檢測(cè)到IGBT元件出現(xiàn)過(guò)流或短路故障，迅速關(guān)斷IGBT元件。器件本身失效主要有單管變橋臂直通、模塊橋臂直通故障兩類，電路原理圖與故障波形特征如圖6、圖7所示。

圖6 單管變橋臂直通原理圖及數(shù)據(jù)波形

圖7 模塊橋臂直通原理圖及數(shù)據(jù)波形

第二類外部干擾，典型表現(xiàn)也可分為兩種：一種是模塊運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)，對(duì)驅(qū)動(dòng)組件及相關(guān)線束的連接可靠性構(gòu)成一定的影響，導(dǎo)致模塊上報(bào)相管故障；一種是網(wǎng)壓波動(dòng)造成IGBT模塊損壞[3]。

針對(duì)線束斷裂問(wèn)題，如圖8所示。2020年9月份在“貴陽(yáng)-株洲”機(jī)車運(yùn)用區(qū)段實(shí)際運(yùn)行振動(dòng)測(cè)試（測(cè)試點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)板的固定安裝板）。通過(guò)驅(qū)動(dòng)安裝板振動(dòng)數(shù)據(jù)采集整理，并與國(guó)標(biāo)GB/T 21563要求進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)按國(guó)標(biāo)要求為1時(shí)進(jìn)行換算對(duì)比。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖9和下表所示，驅(qū)動(dòng)板振動(dòng)垂向最大，超出標(biāo)準(zhǔn)約2倍以上，對(duì)驅(qū)動(dòng)組件線束的連接可靠性構(gòu)成一定的影響。驅(qū)動(dòng)板振動(dòng)以51Hz、53Hz和74Hz、75Hz為主，主要來(lái)源為輪對(duì)傳遞振動(dòng)引起的驅(qū)動(dòng)板共振。

表 GB/T 21563 I類B級(jí)車體安裝ASD頻譜

圖8 現(xiàn)場(chǎng)故障圖片

圖9 驅(qū)動(dòng)板振動(dòng)頻譜

可見(jiàn)路譜振動(dòng)已經(jīng)超出機(jī)車設(shè)計(jì)出廠標(biāo)準(zhǔn)要求，造成機(jī)車零部件振動(dòng)過(guò)大，長(zhǎng)期運(yùn)行在此類路段，導(dǎo)致器件疲勞損壞。

變流器模塊驅(qū)動(dòng)組件脈沖線安裝采用螺紋端子壓接方式，如圖10所示。由于驅(qū)動(dòng)板安裝組件橫向跨度較大，在運(yùn)行過(guò)程中線束和電路板在振動(dòng)過(guò)程中受到各個(gè)方向的力，對(duì)線芯造成各種剪切力和拉力。當(dāng)此處長(zhǎng)期反復(fù)剪切后，導(dǎo)致線芯疲勞斷裂。

圖10 脈沖線連接方式

據(jù)文獻(xiàn)[3]分析，和諧機(jī)車在22.5~30kV網(wǎng)壓下，機(jī)車最大輸出功率為9600 kW。在19kV網(wǎng)壓下，機(jī)車最大輸出功率為8064kW。在網(wǎng)壓低于17.5kV時(shí)，牽引功率線性降為0，但輔助功率仍然有效。機(jī)車功率特性如圖11 所示，網(wǎng)壓高于31kV時(shí)，牽引功率線性降為0。

圖11 機(jī)車功率特性曲線

通過(guò)恒功率計(jì)算，可以得出，當(dāng)網(wǎng)壓為19kV時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器四象限模塊輸入電流約為1548A。因此，整流器輸入電流峰值設(shè)計(jì)值（正弦波峰值+ PWM 波動(dòng)）為√2×1548×1.1=2410A。在13‰坡道地區(qū)取機(jī)車滿功率的網(wǎng)壓及電流信號(hào)，計(jì)算得出電流值為1540A。整流器輸入電流峰值計(jì)算值為（正弦波峰值+PWM 波動(dòng)）√2×1540×1.1=2410A。

考慮到機(jī)車實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中路況、變流器裝置自身檢測(cè)元件誤差等綜合因素，機(jī)車實(shí)際檢測(cè)數(shù)值與理論計(jì)算數(shù)值會(huì)存在1%~3% 的誤差變化范圍，所以當(dāng)網(wǎng)壓降低到19 kV 以下時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器四象限模塊輸入電流將達(dá)到3000A 以上，而IGBT能承受的最大電流限制為2430A。如果長(zhǎng)時(shí)間在此期間頻繁波動(dòng)，將會(huì)造成IGBT 模塊損壞。因此得出結(jié)論，網(wǎng)壓波動(dòng)較大是造成IGBT 模塊破損的重要原因。

3 整改措施

1）針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)變流器控制和保護(hù)策略應(yīng)用軟件進(jìn)行了優(yōu)化：①優(yōu)化管故障自動(dòng)復(fù)位、隔離功能，采取組合式診斷方法對(duì)故障進(jìn)行分級(jí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)隔軸、隔架或隔車保護(hù)。減少或避免人工干預(yù)操作錯(cuò)誤（或不妥），造成機(jī)車牽引力不足，引起機(jī)車故障事件擴(kuò)大；減少機(jī)車停車處理時(shí)長(zhǎng)，有效提高機(jī)車運(yùn)用質(zhì)量。②新增網(wǎng)壓異常判斷功能，由DCU檢測(cè)機(jī)車原邊電壓（網(wǎng)壓），如果相鄰周期內(nèi)的網(wǎng)壓基波峰連續(xù)波動(dòng)超過(guò)設(shè)定值，DCU標(biāo)識(shí)網(wǎng)壓波動(dòng)有效，此時(shí)，DCU隨著網(wǎng)壓波動(dòng)時(shí)長(zhǎng)，線形控制機(jī)車減功率輸出，減少網(wǎng)壓波動(dòng)所產(chǎn)生的大電流對(duì)IGBT的損傷。

2）針對(duì)IGBT本身失效的問(wèn)題，廠家在新造和C6級(jí)及以上檢修修程中，對(duì)出廠IGBT模塊進(jìn)行加嚴(yán)考核篩選，提前篩選出失效元件，同時(shí)在部分路段提高IGBT容量等級(jí)進(jìn)行裝車驗(yàn)證。

3）因路段振動(dòng)條件暫時(shí)不能改變，針對(duì)驅(qū)動(dòng)板脈沖線斷裂問(wèn)題，優(yōu)化脈沖線安裝工藝，在驅(qū)動(dòng)板脈沖線進(jìn)線端增加熱縮式端子（如圖12所示），對(duì)熱縮管吹縮過(guò)程中會(huì)釋放出一層膠狀物質(zhì)，將導(dǎo)線絕緣層牢牢包裹，形成新的絕緣層，從而有效防止空氣直接與線芯接觸氧化線芯，在振動(dòng)傳遞時(shí)，振動(dòng)應(yīng)力通過(guò)該結(jié)構(gòu)得到充分釋放，有效避免線芯疲勞斷裂。

圖12 加裝熱縮式管狀端子

4）針對(duì)網(wǎng)壓波動(dòng)問(wèn)題，建議對(duì)接觸網(wǎng)線路進(jìn)行擴(kuò)容改造。

3 結(jié)束語(yǔ)

自2020年以來(lái)，經(jīng)與廠家深入討論，針對(duì)以上問(wèn)題通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、改造，結(jié)合修程對(duì)IGBT元件進(jìn)行加嚴(yán)考核篩選等一系列措施后，有效遏制了變流器模塊故障增加的趨勢(shì)。尤其振動(dòng)原因造成斷線問(wèn)題的解決方案，此項(xiàng)成果廠家已經(jīng)成功運(yùn)用到其他類型的產(chǎn)品，有效提高導(dǎo)線抗振動(dòng)能力，但從長(zhǎng)期來(lái)看，還要減小路段的振動(dòng)，提升零部件運(yùn)營(yíng)的可靠性。統(tǒng)計(jì)近3年檢修的機(jī)車運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，無(wú)上述類型問(wèn)題造成的故障。