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浅析车辆电气自动化车下电源装置 陈文彬 2










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浅析车辆电气自动化车下电源装置 陈文彬 陶为民 2011 级电气工程及其自动化(广铁党校) 2013 年 4 月 30 日





论文从车辆供电模式入手, 分析采用 DC600V/AC380V 供电模式车辆的 特点和应用新的逆变技术。DC600V/AC380V 直流供电系统中车下电源装置 是车辆电器动力的源泉, 也是供电系统的核心部分。 现在在造的准高速和 普速车辆全部采用直流供电模式,从而认识 DC600V 车下电源装置工作原 理对检修者来说也尤为重要。论文对 DC600V 车下电源装置在运用中出现 的故障进行分类归纳, 并分析影响车下电源装置安全因素。 对一般常见的 车下电源故障进行分析和给出处理方法, 对存在的问题提出改进措施和建 议。

关键词:DC600V/380V 供电系统;车下电源装置; 逆变器;充电机

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0 前言 .......................................................................... 1 1 车下电源装置概述 .............................................................. 1 1.1 DC600V/AC380V 供电系统 ...................................................... 1 1.1.1 列车供电模式.............................................................. 1 1.1.2 供电回路.................................................................. 1 1.1.3 关键技术.................................................................. 2 1.2 车下电源装置各部分基本工作原理 .............................................. 3 1.2.1 DC600V/AC380V 逆变器基本工作原理 .......................................... 3 1.2.2 DC600V/DC110V 充电机基本工作原理 .......................................... 6 2 车下电源装置常见故障 .......................................................... 8 3 影响车下电源装置的安全因素 .................................................... 9 3.1 环境气候对车下电源供电系统的影响 ............................................ 9 3.1.1 25T 及新型 25G 客车运用环境 ................................................ 9 3.1.2 气候对车下电源装置的影响 ................................................. 10 3.2 车下电源装置检修技术及设备 ................................................. 10 3.2.1 车下电源装置检修设备 ..................................................... 10 3.2.2 车下电源装置检修技术及人员 ............................................... 11 3.3 车下电源装置的保养......................................................... 11 3.3.1 车下电源装置日常维护保养 ................................................. 11 3.3.2 车下电源装置段、厂修 ..................................................... 11 3.3.3 检修过程中的人为故障 ..................................................... 11 3.4 负载对车下电源装置的影响 ................................................... 12 4 车下电源装置故障的处理方法 ................................................... 13 4.1 车下电源装置一般故障的处理方法 ............................................. 13 4.1.1 车下电源装置故障判断 ..................................................... 13 4.1.2 车下电源装置逆变器常见故障的处理方法 ..................................... 14 4.1.3 车下电源装置充电机常见故障的处理方法 ..................................... 14 4.2 车下电源装置高发故障的处理方法 ............................................. 16 4.2.1 车下电源装置通讯 FE 故障的处理方法 ........................................ 16 4.2.2 车下电源装置逆变器减载故障的处理方法 ..................................... 16 5 减少车下电源装置故障的改进措施................................................ 17 5.1 技术上改进................................................................. 17 5.2 提高检修人员技术水平 ....................................................... 18 5.3 增加检修设备的投入......................................................... 18 5.4 优化检修流程............................................................... 18 6 结束语 ....................................................................... 18 参考文献 ....................................................................... 20 II

0 前言
当前,我国铁路电气化在高速发展。在新型客车为了提高对旅客服务质量,创造 舒适的旅游环境和保障运输要求,车辆电气设备不断的增加如照明、电热、空调等电 气装置。新型车辆的用电量由过去的 1KW 增加到 30KW 左右。在电气化区段新型车辆 采用 DC600V/AC380V 兼容供电方式,而车辆自身的车下电源装置就是把 DC600V 电压 转变 AC380V/DC110V/AC220V 等电压为各电气设备提供所需的工作电压。 现在新型车辆占有客运车辆数的比例越来越大,而车下电源装置中各部份的故障 率也随之增大。在运用过程中逆变器、充电机、隔离变压器出现故障在线上是无法处 理的,只能到终点站或到车辆入库后进行检修,而且故障点比较难排除!在现有的检 修设备中很难检测出故障关键点,只能模糊判断。 因此,有必要深入分析车下电源装置的工作原理和所出现的故障,探讨如何降低 车下电源装置故障率的对策与措施,来确保车辆在运行中各电器能正常运转,为旅客 提供舒适的乘坐的环境。

1 车下电源装置概述
1.1 DC600V/AC380V 供电系统 1.1.1 列车供电模式 DC600V 供电制式的空调客运列车,在电气化区段运行时,采用电力机车集中供电 (DC600V) 、客车分散变流供电方式。在非电气化区段运用时,DF11 客运大功率内燃 机车本身带有辅助发电机,即可采用 AC380V 柴油发电机组集中供电,也可将发电机 组输出整流以 DC600V 方式向客车供电,当实现电气牵引后,采用 DC600V 供电,这就 是 AC380V/DC600V 兼容供电系统。 参考国外供电制式并结合我国国情和技术现状。高压供电从经济性考虑无疑具备 优势,但是高压供电系统必定将降压、整流、逆变器全集中在客车上,其安装和配重 难度大。而机车集中整流后向客车供电,在技术上也没有太大的困难。基于我国逆变 器技术的现状,确定了 600V 电源等级,一方面可以提高逆变器的可靠性,另一方面 这个等级的电压,实际在绝缘、耐压等方面与 AC380V 基本一致,安全性好。 1.1.2 供电回路 DC600V/380V 供电系统工作原理如图 1 所示,电力机车 DC600V 电源,通过 KC20D 电气连接器向列车母线供电。在车厢内,两路 DC600V 首先进入电气综合控制柜,电 气综合控制柜设有供电选择电路,可以选择 I 路或 II 路 DC600V 电源,同时还设有漏 电检测装置,当本车厢 DC600V 电路和 AC380V 电路有漏电时,可以切除本车 DC600V 电源。电气综合控制柜将输入 DC600V 电源进行分配,供给逆变器、充电机。逆变器 将 DC600V 电源,转换成 AC380V 电源,并输出到电气综合控制柜,供给空调机组及其

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它电器设备。充电机将 DC600V 电源转换成 DC119V 供本车蓄电池组充电和照明等其他 用电负载使用。

图 1 DC600V/380V 供电系统工作原理图

1.1.3 关键技术 1、逆变技术 将交流电变成直流电说的过成称为整流,将直流电变成交流电的过程称为逆变。 电力机车接触网电压时单相供电而且供电品质差,不能降压后直接供给列车的用电负 载,因而必须用到逆变技术,用单相交流电变成直流电后逆变车三相交流电供给客车 负载。 客车空调逆变器的基本原理为:在每个正弦波周期内,将直流电压分割成若干个 脉冲,这些脉冲的面积,正好等于正弦波的面积。通常情况下,一个周期内脉冲的个 数乘以 50 即为调制频率,调制频率越高,输出的脉冲个数越多,在没有滤波器时, 电动机负载的电流越接近于正弦波,而如果有滤波器,则滤波器的体积可以减小,输 出电压波形的谐波成分越低。调制频率越高,对 IGBT 的驱动和保护越高,技术难度 大。 2、变频变压(VVVF)技术 如果按正弦波规律控制 IGBT 的导通和关断,则可输出调制波形。电动机在启动 时,存在 7 倍左右的电流冲击,如果不采取软启动方式,逆变器必须至少有 7 倍以上 的额定容量,这是极不经济,同时机车电源也要承受电流冲击。如果能做到启动电流 较小或基本与额度电流一样,则比较经济而且可靠性高。采用输出电压(U)和输出 频率(f)同时变化并保证 U/f=C(常数)即可实现软启动。
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电动机的基本公式:U=CeΦ f----(1) ;

M=CmΦ I----(2)

上述公式中 Ce、Cm 为常数。由公式(1)可以看出,电压 U 降低而频率保持不变, 则磁通Φ 减小,而根据(2) ,磁通减小,必然要增大电流才能保证启动转矩。而如果 保证电压变化时,频率也保持同步变化,即 U/f 等于常数,则启动过程中磁通保持不 变,在保证启动转矩的同时,可以启动电流减小,这就是软启动的原理。 3、大功率高频开关电源 DC600V 供电系统中的充电机是供蓄电池充电及照明控制等系统用电的重要设备, 由于输入 DC600V(或 AC380V),因此必须采用 DC/DC 变换技术。为了减小充电机的体 积和防止高压窜入低压系统,采用高频绝缘式 DC/DC 变换器。 高频绝缘式充电机在铁路上的应用, 其技术达到国外先进水平, 主要关键技术有: (1)电压电流双闭环控制,实现蓄电池恒流定压充电; (2)采用软开关技术,减小 IGBT 高频开关损耗,效率达到 92%; (3)采用先进的非晶态铁芯制造变压器,减小充 电机体积; (4)IGBT 的开关频率达到 20kHz 以上,避开了音频区域,减小充电机的电 磁噪声。 4、网络监控技术 25T 型客车采用新的无主式网络监控运行管理体制,采用 LONWORKS 网络监控技 术,监控包含对本车电气系统信息的监视和对他车电气系统信息的监视。乘务员可以 在监控屏上控制本车及他车的供电转换和空调运行状态,并可监控车下电源装置等其 他电器设备的工作运行情况。 1.2 车下电源装置各部分基本工作原理 在 DC600V/AC380V 供电系统中车下电源装置最为重要的组成部分之一车下电源装 置的主要由逆变器、充电机、DC110V 蓄电池组成。在国内生产逆变器、充电机主要有 五个厂家,分别是青岛四方、常牵、株洲时代、铁科院、南京华式。他们的生产逆变 器、充电机的原理基本相同,不同的是他们的控制系统。由于现在的新造车辆的车下 电源装置中 3.5KVA 单相逆变器和 15KVA 隔离变压器已经大部分取消,因此主要分析 逆变器、充电机原理。 1.2.1 DC600V/AC380V 逆变器基本工作原理 1、三相逆变器电路组成

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图 2 三相逆变器工作原理

(1)输入输出隔离电路,如图 2 中的 KM1、KM3 电磁接触器,其主要功能是在逆 变器输入电路或输出负载发生故障时实施隔离防止故障扩散。 (2)中间支撑电路,主要由滤波电容 C1、C2 组成。其主要功能是滤平输入电路 的电压波纹,当负载变化时,使直流电压平稳。由于逆变器功率较大,因此滤波器电 容的容量较大,一般使用电解电容。由于电容自身参数的离散,使得串联的两个两端 并联均压电阻的方法,如图 2 中的 R1 和 R2。R1 和 R2 的另一个作用是在逆变器停止 工作时,将电容的电容上的电压放掉。 (3) 缓冲电路由 R0 和 KM2 组成。 电容的特性是电压不能突变, 因此在合闸瞬间, 电容的电压很低,基本可以认为瞬间短路,因此对电压造成很大的冲击电流,这个电 流足以使保护熔断器熔断,因此逆变器电流一般有输入缓冲电路。 其原理为:在输入端施加电压时,先通过缓冲电阻 R0 对电容充电,当电容电压 充到一定值(比如 540V) ,KM2 吸合,将 R0 短路后,三相逆变电路才能启动工作。 (4)桥式三相逆变电路,由 V1~V6 组成的桥式三相逆变主电路是逆变器的核心 电路目前大部分逆变器采用 IGBT 和 IPM 作为开关器件。 (5)交流滤波电路由 L1~L3 和 C1~C3 组成,主要是将逆变器输出的 PWM 波形 变成准正弦波。由于驱动和保护技术的不断完善,使逆变器的调制频率提高,最高可 达到 6~8K,因而滤波电感和电容的体积并不太大。 2、桥式三相逆变电路工作原理 如图 3 为三相逆变器的主电路图,输入端为 A、B,输出为 U、V、W,右上角为 V1~V6 的导通顺序, 阴影为各个 IGBT 的导通时间, 每一个的时间为π /3, 则根据 IGBT 的导通顺序,可绘出 U、V、W 的线电压波形。

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图 3 桥式三相逆变电路工作原理

T1\T2 时间内,V1\V4 同时导通,U 为+,V 为—,Uuv 为+且 Um=Ud T4\T5 时间内,V2\V3 同时导通,U 为—,V 为+,Uuv 为—且 Um=—Ud T3\T4 时间内,V3\V6 同时导通,V 为+,W 为—,Uvw 为+且 Um=Ud T6\T1 时间内,V4\V5 同时导通,V 为—,W 为+,Uvw 为—且 Um=—Ud T5\T6 时间内,V5\V2 同时导通,W 为+,U 为—,Uwu 为+且 Um=Ud T2\T3 时间内,V1\V6 同时导通,W 为—,U 为+,Uwu 为—且 Um=—Ud 三者的相位差为 2π /3,幅值与直流电压 Ud 相等。由此可见,只要按照一定的顺 序控制 6 个逆变管的导通和截止,就可以把直流电逆变成三相交流电。 实际上由于 IGBT 的开通与关断特性的影响,同一桥臂中的两个 IGBT 在关断与开 通之间有一定的时间延迟,即死区保护,主要是防止同一桥臂的上下 IGBT 同时导通, 造成所谓的桥臂贯穿短路。按照上述原理,把方波电压按照正弦波的规律调制成一系 列脉冲,即使脉冲系列的占空比按正弦规律排列,当正弦值为最大时,脉冲的宽带也 最大;反之,当正弦值为最小时。脉冲的宽带也最小。把脉冲的宽度调制的越细,即 一个周期内脉冲的个数越多,调制后输出的波形越好,电动机负载的电流波形越接近 于正弦波。 3、三相逆变器主要技术参数 TGN3 和 TGN3A 型空调客车逆变电源主要用于电网供电空调客车和相应供电制式 的客车或动车组的供电电源。 (1)输入电压:额定 DC600V;最高 DC660V;最低 DC500V。 (2)额定容量:TGN3 型双逆变电源:2*35kVA,其中单相输出功率≤2KW;TGN3A 型单逆变电源:35kVA (3) 输出电压: 额定输出电压频率 50Hz; 输出基波电压有效值 3AC380*(1±10%)V, AC220*(±10%)V;三相输出对称,基波电压有效值相差不超过±5V。 (4)逆变电源控制箱:输入电压为额定 DC110V,最低 77V,最高 130V;纹波系数
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1%,采暖时<=10%;控制方式为 VVVF 控制,采用 V/F=常数,PWM 控制方式。 (5)冷却方式:自然风冷或强迫风冷。 (6)保护:贯穿短路、过压、过流、欠压、散热器过热保护等保护,还具有 IGBT 元件故障和电子控制故障等检测功能。 (7)效率:额定负载运行时,效率大于 90%。 (8)逆变电源具有延时输出功能,列车过分相区时,能自动延时输出电压,延 时时间可设定为 15S、25S、35S。 1.2.2 DC600V/DC110V 充电机基本工作原理 25T 型客车无论兼容供电还是 DC600V 供电, 都需要充电机, 将 DC600V 或 3AC380V 变换成 DC110V 供给蓄电池和照明等负载。从维护系统的安全性和可靠性来考虑,充 电机实际上是供电系统最重要的设备,一旦充电机故障,蓄电池无法充电,电压会放 到很低,有可能使本车挂在蓄电池上的所有设备无法启动和工作。 1、 DC600V/DC100V 充电机电路 基于 DC600V 的输入电压和大于 8kW 的功率等级,客车用大功率 DC/DC 变换主电 路一般采用适应高压变换的半桥或全桥结构,DC600V/DC100V 充电机主电路如图 4 所 示。 充电机的输入隔离、滤波和缓冲电路与逆变器相同。逆变桥由 4 只 IGBT 组成, 功率的传输靠高频变压器传递变压器的输出经过高频整流和滤波后,供给负载和蓄电 池。

图 4 DC600V/DC100V 充电机主电路图

2、高频桥式逆变主电路

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图 5 DC/DC 变换逻辑

V1~V4 构成 DC/DC 变换的主电路,V1~V4 的控制逻辑和变压器原副变电压波形 如图 5; DC/DC 变换电路如图 6~7。 t1~t2 区间内,V1 和 V4 的导通,变压器原边电压为正相电压; t3~t4 区间内,V2 和 V3 的导通,变压器原边电压为反相电压; t2~t3 区间内任何一只 IGBT 都不导通,这段时间称为“死区” ,主要考虑防止上 下桥臂的两只 IGBT 同时造成桥臂的“贯穿”短路。

图 6 移相式 DC/DC 变换电路

图 7 移相式 DC/DC 变换电路

充电机用的 IGBT 一般采用双单元,即一个模块上集成了上下桥臂的两个 IGBT, 电路结构简单,但因为 IGBT 工作在 20kHz 左右,因此其开关损耗大,散热困难,为
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了解决高频的开关损耗问题,采用移相技术实现 IGBT 的准软开关控制。 电桥左右两个桥臂的上下两个开关管(V1-V2,V3-V4)倍施与 180 度互补的驱动 信号,上下两管 180 度互补导通。因此除上下两管导通的死区外,电路中总有两个开 关管同时导通,共有四种导通组合,即 V1-V4,V4-V2,V2-V3,V3-V1,并按照此周期 周而复始。其中 V1-V4,V2-V3(即对角线导通) ,组合导通时,全桥电路给出能量, 而 V3-V1,V4-V2(即上桥臂两管或下桥臂两管同时导通) ,组合导通时全桥电路处于 续流状态不输出能量。调节这两种组合的时间比例,即移相角,变压器得到一个交变 的 PWM 电压于此实现对输出电压、电流的调整。 3、移相控制原理 移相控制的原理是利用变压器的漏感和 IGBT 结间的电容谐振,漏感 LK 储能电容 C 释放过程中,使电容 C 的电压逐步下降到 0,二极管 D 开通,创造 0 电压开关(ZVS) 条件,电路中的其他电感、电容元件是为获得可靠的零电压开关而设置。 4、充电机主要的技术参数 输入回路:标称输入电压为 DC600V,输入电压变化范围为 DC500V~DC600V,输 入电压波动±5%;输出回路:标称输出电压为 DC119V~DC123V(随温度补偿可调), 标称输出功率为 8KW, 输出总电流为 68A, 充电电流最大值 25A, 输出电压纹波≤3VRMS, 输出电流纹波系数≤10%;控制电源:77VDC~137.5VDC;正常使用条件:海拔高度 ≤2500m ,工作环境温度为-25℃~+45℃,贮存温度为 -45℃~+70℃,周围空气相 对湿度≤90%;效率:≥92% (标称输出负载);冷却方式:强迫风冷;耐压:DC600V 输入直流回路 2500VAC/50HZ 1 分钟,DC110V 输出直流回路 1000VAC/50HZ 1 分钟。

2 车下电源装置常见故障
车下电源装置主要的组成部分是三相交流逆变器、DC600V/DC110V 充电机、单相 交流逆变器、隔离变压器、DC110V 蓄电池组。在车下电源装置中的故障频发的是三相 交流逆变器及充电机。 三相交流逆变器主要是空调、制氧系统、餐车电器的动力电源,因此逆变电源发 生故障,将会导致空调、制氧系统、餐车电器等重要车载设备无法正常工作。充电机 的主要负载是蓄电池组、车辆照明系统,而 DC110V 是车辆电气柜的控制电压。因此 车下电源装置中不管哪个部件故障都会严重影响客车运行质量。目前客车三相交流逆 变器和充电机故障频繁,特别是夏天高温时段,运用故障居高不下。自 2006 年广州 铁路集团拥有 400 辆直供电客车车辆投入运用以来,逆变器故障率不断增加。每一趟 直供电车辆运行到入库检修,逆变器、充电机发生故障无法自动恢复、需要落地检修 的故障率达到了 30%, 这就是说 16 节车厢中就有 5 节车厢的车下电源装置在运行中出 现故障。 车下电源装置主要故障:三相逆变器带不起负载、三相逆变器输出三相不平衡;
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三相逆变器散热故障、三相逆变器输出过压、三相逆变器预充电故障、三相逆变器驱 动故障、三相逆变器带载重启故障;充电机 IGBT 故障、通讯故障。 1、三相逆变器带不起负载: (1)主控驱动电源电压不过大,造成驱动电源逆变 时三相逆变驱动电压不足; (2)在三相输出过程中,三相电压传感器采样有误,造成 逆变器一带负载时主控板检测电压过低而停止输出。 2、三相逆变器带载重启故障: (1)DC600V 输入监控接口板上的 LM124 芯片故障; (2)逆变桥臂中的 IGBT 故障。 3、三相逆变器输出三相不平衡: (1)三相输出采样传感器故障,造成采样反馈 数据正常而桥臂继续逆变工作; (2)驱动电路电路故障,给桥臂的驱动电压不足。 4、三相逆变器散热故障: (1)强迫风冷的散热风扇烧损,造成散热不良; ( 2) 逆变器温度传感器故障,造成散热器温度达到 60℃时,散热风扇不能自动启动。 5、三相逆变器输出过压: (1)输出三相采样传感器故障。 6、三相逆变器预充电故障: (1)预充电电阻烧损; (2)预充电电容故障。 7、充电机 IGBT 故障:(1)IGBT 击穿; (2)充电机前后级电路板故障; (3)驱动 电压分压不均,造成充电机 IGBT 被高电压击穿。 8、通讯故障: (1)通讯网关故障; (2)主控板通讯模块故障; (3)通讯线接错; (3)逆变器和充电机的通讯协议冲突,这会造成通讯时有时无或触摸屏显示 FE(节 点离线) ; (4)车载 PLC 与车型不匹配造成通讯故障。 9、欠压保护板烧损:蓄电池组欠压保护动作值为 DC90±1V,其的主要作用是在 充电机停止工作时让蓄电池组为车厢照明提供电源。在配电柜中接触器 K301 用来切 换电源切换作用。过欠压板故障在 11 月~6 月之间,这段时间南北气候差异大。T16 次列车是广州到北京,其跨度大,经过的地域广。在北方天气积雪,车辆到南方气温 比北方暖和积在车下电源箱体上的雪融化,雪水流进箱体内部造成过欠压板烧损。在 雨水季节过欠压板烧损的情况更加严重。在 T16 次列车中过欠压板烧损由于箱体进水 造成的占 90%。

3 影响车下电源装置的安全因素
3.1 环境气候对车下电源供电系统的影响 我国南北、东西地理气候差异大,而我国铁路建设也因地理气候差异的变化大建 设难度比其他国家都大。这就要求了我们国家在铁路线路的设计、车辆的设计和建造 上要考虑诸多因素,尤其是地理气候的影响。地理气候对运行中的车辆电气设备也有 很大的影响。 3.1.1 25T 及新型 25G 客车运用环境 在我国高原铁路线路中“青藏铁路”线路上使用的客车车辆为准高速车辆 25T 车 型。青藏铁路跨越青海和西藏两省,线路通过地区深居大陆内部,远离海洋,绝大部
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分地区为高原腹地,具有独特的冰缘干旱气候特征。区内寒冷干旱,气候多变,四季 不明,日差较大的特点。 青藏铁路通过的地区海拔高于 4000 米地段长达 960KM,沿线气候条件恶劣。其经 过的地区, 气候寒冷, 年平均气温-2℃~6℃, 最高气温 25℃~26℃, 最低气温-35℃~ -45℃,日平均气温低于 0℃的时间为 235~330 天。风沙大,年平均大风日为 115~ 116 天,平均雷暴日数 68~82 天,且为紫外线高辐射区。 现在我国在平原使用的准高速列车几条线:北京到三亚、上海到三亚、北京到九 龙等客运线专线。京九线和京广线是我国南北铁路运输的两条大动脉,其跨度大,沿 途气候变化明显。 南北气候差异主要表现在两方面:北冷南热、北干南潮。南北气候对车下电 源装置的影响主要是在冬季,冬季北方寒冷干燥,而南方是温和潮湿雨水较多。 3.1.2 气候对车下电源装置的影响 在广州开往拉萨客运专线上,车下电源装置故障率居高不下。在从南往西除了海 拔的差异大外,还有温差大。南方的雨水多温度高,到高原后温度降低且风沙大,设 备用电量多。这些原因造成了逆变器、充电机的负荷大增,发热大,青藏 25T 客车是 全封闭来抵挡风沙对车下装置的影响,但这造成逆变器、充电机 IGBT 等电子元件工 作时所散发的热量不能及时得到降温,高温对电子元件的性能影响很大,这造成逆变 器超温保护,逆变器主控电子元件工作偏差率增大造成逆变器死机、乱报故障停机。 充电机 IGBT 烧损等故障。 在平原上运用的 25T 和新型 25G 由于夏天南北方气温高空调设备不停的运转造成 逆变器、充电机的负荷大,而故障频繁。在冬季北方往南方开来的车辆,车下电源箱 上有霜雪,一到南方温度升高造成有水进入车下电源箱,这使车下电源散热风扇烧损 和车下电源设短路等故障。 3.2 车下电源装置检修技术及设备 车辆到站车库时, 地面检修人员按照车统-181 的故障记录进行检修处理故障和车 辆入巡检人员发现的问题。地面检修技术和设备是确保车辆能安全行驶的最重要的的 技术保障之一。 3.2.1 车下电源装置检修设备 车辆在运用状态中的检修时由各个地方的客技站完成的,其检修和段修的要求不 同,但设备一样的。主要的的设备是地面 DC600V 电源系统和逆变器、充电机、单相 逆变器的带载试验系统。 地面的试验系统的负载时纯阻性负载, 而车辆上的逆变器、 充电机的负载为感性, 这样逆变器、充电机在线上运用时由于负载问题影响到它们故障的原因很难平判断出 来。所有在地面检修、试验合格的的车下电源装置一上车就故障的现象时有发生。

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3.2.2 车下电源装置检修技术及人员 车下电源装置中逆变器、充电机、单相逆变器是由一个班组来负责检修。在现配 人员中电子专业大专毕业生基本上没有,少数的是其他电气、机械专业毕业生和一些 车辆电工老师傅。检修队伍非常年轻平均年龄才 28 岁。他们没有接受过专门的电子 课程学习,在检修时只能根据厂家指导文件来判断大概位置故障,再进行换件修,这 样的检修耗时耗力,而且因为故障未排除而烧损新换的板件。现在人员上主要是知道 一些故障却不知道故障发生的原因。 在检修技术上,现在除了厂家的指导文献以外没有更多的技术指导文件,而铁道 部发放的技术文件也只是根据铁规要求的技术标准。在现有的技术指导文件中只是说 明车下电源装置的主电路工作原理、故障代码意义和保养要求。现在最缺乏的是厂家 的具体技术文件来指导检修人员对逆变器、充电机、单相逆变器进行检修和经验丰富 技术人员。 3.3 车下电源装置的保养 3.3.1 车下电源装置日常维护保养 车辆入库后对逆变器、充电机、单相逆变器进行负载试验,检查模块间通讯,检 查车载通讯中的故障记录,对故障记录中逆变器、充电机在线上运行中报过故障又自 动重启后故障消除的逆变器、充电机开盖检查和电压测量。 车辆到 A1 修或辅修时开车下电源箱进行吹尘,对对电路板上的尘埃进行清洁, 检查各板块元器件是否有烧痕,检查散热风扇是否能正常工作,检查配线有无破损。 检修完全后对车下电源箱进行重新密封。 3.3.2 车下电源装置段、厂修 车辆段修时,要对逆变器、充电机进行落地检修和电气试验。在落地检修时,对 逆变器、充电机进行除尘,按照工艺文件进行板件跟换。 在进行单机负载能力试验中要注意,先轻载后重载,在不同负载注意输出电压的 变化。对单机输入电压试验时要注意在不同输入电压时,单机启动时间和输出电压进 行监控。三相逆变器、充电机的输入工作电压为 DC500V~DC600V 之间,在 DC500V~ DC540V 时单机要会降频变压输出。在输入过压试验中一定要注意工作电压在超过 DC660V 时单机是否停止工作和超压值达到多少停止工作。 在地面检修完成后装车进行调试。在车辆电器不同负载变化时,逆变器、充电机 的工作状况(输入电压、输出电压、电流)进行监控和记录数据。逆变器、充电机各 模块间通讯及和车辆 LONWORKES 通讯进行调试。 3.3.3 检修过程中的人为故障 在日常检修和厂、段修中,检修车下电源装置是一项非常细致的工作。在车下电 源装置故障中有一部分的故障是人为故障。比较典型的是在装逆变器、充电机是主线 路和板件安装没有安装好,在车辆运行过程中负载的变化等因素造车主电路接线发热
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造成短路使设备烧损。在按装板件时没有注意把螺丝遗落在板件上,这造成板件烧损 故障。没有仔细看接线图,把控制线接错造成逆变器、充电机无法启动、模块通讯故 障等故障。 3.4 负载对车下电源装置的影响 由于车下电源故障绝大部分是逆变器,所以重点分析负载对逆变器的影响。三相 逆变器的主要负载有空调系统、餐车厨房电器。硬卧车辆的电气负载约为 58KVA,硬 卧车体的电器不同负载对三相交流逆变器的影响如表 1~3。
表 1 不同负载对三相逆变器的影响

输入电 压 DC500V DC540V DC580V DC600V DC640V DC660V

加载情况

启动时 检测输 入电压

输出电压

现象

带载 软启 动

输出电压

现象

通风强风 通风强风 通风强风 通风强风 通风强风 通风强风

DC480V DC530V DC576V DC590V DC632V DC650V

0

重启

启动 ----------------

3*AC380V -----------------------------

运转正常 -----------------------------------

3*AC380V 正常启动 3*AC380V 正常启动 3*AC380V 正常启动 3*AC380V 正常启动 3*AC380V 正常启动

表 2 不同负载对三相逆变器的影响

输入电 压 DC500V DC540V DC580V DC600V DC640V DC660V

加载 情况 半冷 半冷 半冷 半冷 半冷 半冷

启动时 检测输 入电压 DC460V DC490V DC542V DC573V DC592V DC627V

输出电压

现象

带载 软启 动

输出电压

现象

0 0 3*AC380V 3*AC380V 3*AC380V 3*AC380V

重启 重启 正常启动 正常启动 正常启动 正常启动

启动 重启 -------------

3*AC380V 3*AC380V ---------------------

运转正常 运转正常 -----------------------------

表 3 不同负载对三相逆变器的影响

输入电 压 DC500V

加载 情况 全冷

启动时检 测输入电 压 DC440V

输出电压

现象

带载 软启 动

输出电压

现象

0
- 12 -

重启

启动

3*AC380V 运转正常

DC540V DC580V DC600V DC640V DC660V

全冷 全冷 全冷 全冷 全冷

DC473V DC510V DC530V DC581V DC617V

0 3*AC380V 3*AC380V 3*AC380V 3*AC380V

重启

启动

3*AC380V 运转正常 -----------------------------------------------------

正常启动 ----正常启动 ----正常启动 ----正常启动 -----

由于常州剑湖生产的三相逆变器经常出现带载重启故障,所以上述三表以常州剑 湖生产的三相逆变器为例。在空载和加载弱风、空调预热器时逆变器正常启动。 在 DC600V/DC110V 充电机为蓄电池组充电时 UI 充电特性如图 8, 充电机在为蓄电 池组充电时根据用电量不同而输出不同的电流。充电机主要故障为 IGBT 烧损。

图 8 充电机充电 UI 曲线

每一个生产厂家的车下电源装置的抗负载干扰能力的不同,造成在线上运用时会 出现重启故障。在我们在现场分析的负载对车下电源装置干扰不大。当负载对车下电 源装置有所影响是在负载短路。

4 车下电源装置常见故障的处理方法
4.1 车下电源装置一般故障的处理方法 4.1.1 车下电源装置故障判断 一般情况下,当客车车下电源装置发生故障时,在置于车上的信息显示屏上会有 相应的故障显示或故障提示。检修时,可根据故障提示进行有针对性的检查、试验和 处理,从而确定具体故障点。在进行故障处理或检修结束后,应进行通电试验,以确 保电源状态完好。利用本装置控制箱插件面板上信号灯及机车显示屏信息可对故障进 行判断及排除。 当车下电源故障时,观察控制柜显示屏上的逆变器故障代码,若反复启动后,车 下电源装置仍不能正常工作,则断电检修。故障代码表 4 如下:
表 4 故障代码

故障代码 01

所表示的含义 输入过压
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故障代码 08

所表示的含义 超低温加热启动

02 03 04 05 06 07

输入欠压 输出过压 输出欠压 输出过流 输出过载 IGBT 故障

09 0A 0B 0C 0D 0E

散热器过热 限流充电失效 温度传感器故障 充电故障 内部故障 接触器异常

4.1.2 车下电源装置逆变器常见故障的处理方法 在车下电源装置的三相交流逆变器常见故障的一般处理方法列成表 5。
表 5 三相交流逆变器故障处理方法

代码 FE

07

故障现象 检查及维修 逆 I 或逆 II 无输 1、打开相应散热器,检查控制板是否工作 出,电压、频率 2、不工作,更换控制板 00 1、空载情况下,如果复位后能重启,检查负载是否有 问题(短路、断路、绝缘不良) 逆 I 或逆 II 无输 2、如果不能进行重启,车上显示屏直接报 07,打开 出 相应逆变单元的散热器,检查 IGBT 是否完好 3、如 IGBT 完好,则驱动板故障 逆 I 或逆 II 无输 1、打开相应散热器,给 DC110V 检查驱动板 出, 网关上传电压 2、如损坏,更换驱动板 380、频率 50 逆 I 或逆 II 有输 1、空载运行是否正常,如正常,检查负载 出, 实测三相电压 2、仍有问题, 检查相应单元箱后箱的输出滤波电容是 有一或两相达 否有膨胀或漏液现象,有则更换电容 450V-500V 逆 I 或逆 II 有输 出, 实测三相电压 都为 400 多 1、空载运行是否正常,如正常检查负载 2、仍有问题, 更换相应单元箱后箱的输出电压传感器 VBT500 3、仍有问题,打开散热器,测量 IGBT 和驱动板是否 完好 4、如完好,更换控制板。 1、断开负载,看能否正常工作,如正常,检查负载, 是否有问题 2、如仍有 05 故障,则更换驱动板或控制板 3、如仍有问题更换输出电流传感器 LT208。 4、如减载后两路都报 05 故障,则是负载有问题,检 查负载。

00

05

逆 I 或逆 II 无输 出 逆 I 和逆 II 无输 出

4.1.3 车下电源装置充电机常见故障的处理方法 在车下电源装置的充电机常见故障和一般处理方法列成如表 6。

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表 6 充电机故障处理方法

代码

故 障 现 象

01

输入过压

02

输入欠压

05

充电机 输出过流保护 IGBT 开关元器 件 过流保护

07

09

过热保护

中间环节无电 0C

0E

主接触器和 短路接触器合 不上

FE

充电机无信息 上传 限流充电失效

故 障 原 因 与 维 修 方 法 1、检查电网是否过压 2、如过压,等待 3、如上述 1 项正常,检查电压传感器是否正常,接线 有无脱落或漏电现象 4、如电压传感器损坏,更换 1、检查电网是否欠压 2、如欠压,等待 3、如上述 1 项正常,检查电压传感器是否正常,接线 有无脱落或漏电现象 4、如电压传感器损坏,更换 1、检查充电机负载是否有短路或漏电现象 2、如有短路或漏电,维修 3、如上述 1 项正常,检查电流传感器是否正常 4、如损坏,更换 1、检查 IGBT 特性参数或是否损坏 2、如损坏,更换 3、如上述 1 项正常,检查 IGBT 驱动器是否正常 4、如损坏,更换控制板 1、检查 IGBT 元器件特性参数,元件是否损坏 2、如元件参数不对或损坏,更换 3、上述 1 项正常,检查温度继电器是否正常 4、如损坏,更换 1、检查快速熔断器是否正常 2、如上述 1 项正常,检查主接触器和短路接触器是否 损坏,如损坏,更换 3、如上述 1、2 项正常,检查充电电阻是否正常 4、如上述 1、2、3 项正常,检查中间环节电压传感器 是否正常,如损坏,更换 5、如上述 1、2、3、4 项正常,检查中间支撑电容是 否正常,如损坏,更换 1、检查 DC110V 控制电源是否在范围内 2、如上述 1 项正常,检查主接触器和短路接触器的驱 动单元是否损坏 3、如损坏,则更换驱动单元 4、如上述 1、2 项正常,检查接线有无脱落或漏电现 象 1、 检查网关是否损坏,如损坏,更换 2、 检查控制板是否通信正常,如不正常,更换 3、 检查电源板是否有输出,如没有,更换 1、检查充电电流传感器是否正常 2、如损坏,更换

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4.2 车下电源装置高发故障的处理方法 4.2.1 车下电源装置通讯 FE 故障的处理方法 在车下电源系统中,通讯是监控车辆各电器运行状况,在故障时候会及时反应在 工程监控屏上并及时警示乘务员,乘务员及时进行处理。所以通讯监控对行车安全起 到非常重要的作用。在车下电源装中每台逆变器有 2 个用于系统诊断和设备诊断的 RS485 接口, 与车辆连接的 Lonworks 网关装在充电机中。车下电源装置通讯原理如图 9。

图 9 车下电源装置通讯原理

G2 逆变器主控板把自身监控的三相电压、频率及本机的工作状态发送到 G1,G1 把本机采集的数据和 G2 传输过来的信息一起发送到 G3,G3 自身采集的充电电压、电 流及工作状态,G3 并把 G2、G1 的采集信息一起传输到逆变网关,逆变网关再发送到 节点网关,节点网关在发送到 PLC,PLC 把整车采集的信息传输到中央监控车辆。G1、 G2、 G3 采集信息要经过车下电源模块中的通讯模块进行数据转换才发送到网关。在通 讯故障排除,主要要知道模块间通讯的关键节点。车控显示屏显示的信息来判断那个 节点故障。通讯故障的主要现象有车载监控屏显示的车下电源装置信息闪烁、离线等 故障。 在所有通讯故障的统计中,发现通模块故障是通讯故障的主要因素,在 T16 次列 车中常见车下电源装置中通讯模块烧损或是板件良好就是没有通讯的现象。通讯模块 是处理 G1、G2、G3 所采集的数据进行转换再传送到逆变网关。通讯模块的输入电压 随 DC110V 负载的变化会而变化。通讯模块的的输入电压为 12V,110V 电压在恒流充 电(充电电流 25A)时,通讯模块的 12V 电源的会达到 16V,这样就会使通讯板烧损。 车下电源装置通讯模块的芯片程序经常与充电机的通讯协议不匹配,在处理通讯 故障中,我们更换新的板件后通讯显示会闪烁,把旧板件的通讯 IC 更换到新的板件 上后就能正常使用。 在通讯故障中最主要的故障节点在充电机主控板、通讯模块、网关,也是故障高 发地带。 4.2.2 车下电源装置逆变器减载故障的处理方法 在直供电车辆设计的时候,考虑到车下电源装置的故障因素,要求三相交流逆变
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器之间要一直处于互备状态,如 G1 故障,G2 变成 G1 的电器负载的备用电源。PLC 检 测到 G1 故障后, G2 重启, 中间接触器吸合把 G2 输出的电源分配到 G1 的电器负载上, 同时 PLC 控制车厢的电器负载只能启动一半。把这种状态称为逆变器减载。G1、G2 互备状态和故障减载确保车厢电器能够维持正常的运转。逆变器互备状态如图 10。

图 10 逆变器互备状态

常州剑湖出产的逆变器经常出现减载故障,双机不在互备的状态.在处理减载故 障中逆变器板件故障造成的居多。逆变器故障时通过接口板 12V 小型继电器向 301 故 障信号线输送 12V 电压给互备机的接口板,互备机接到 301 信号就向主控板反馈一个 信号,互备机重启,互备机的接口板的 12V 减载小型接触器在得到主控板信号向 211 信号线发送信号让中间接触器吸合, 完成减载状态。 在减载故障接口板起到桥接作用。 在运用和段修中反馈的减载故障中,接口板的故障占 80%。对 40 件接口板故障板件进 行检测,发现 12V 减载小型继电器烧损率为 70%。

5 减少车下电源装置故障的改进措施
5.1 技术上改进 为改进车下装置各部件性能,在厂家生产实际上的技术提高是尤为重要。在运用 反馈中,进行技术改良。 1、改进车下电源装置中散热系统。车下电源箱是一个密封箱体,逆变器在夏天 经常出现超温死机, 降低散热风扇启动温度和增加散热风扇功率。 箱内增设散热风扇, 为板件降温,对改造箱体的内部进气口。 2、提高电子元器件的性能要求,选用耐高温电子元器件,特别是电子芯片、电 阻、电容的选用。 3、对主控板的启动延时进行调整,分等级调整启动时间。对主要板件输出电压 进行调整,例如对主控驱动电源板,调高输出电压确保在启动重载时不会重启。 4、由于我国南北气温变化明显,所以对箱体密封有较高的要求,改造箱体防止 进水造成板件短路故障。 5、常州剑湖厂家要对接口板的小型继电器进行改进。 6、去除单独的通讯模块,把通讯功能集中在机体板件上。 统一通讯协议,不要造成不同生产批次产品的通讯协议不同,造成板件不能互换
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使用。 7、常州剑湖厂家应该对充电机 IGBT 经常在负载正常下击穿进行改进。 8、铁科院厂家应该对把预充电电阻排采用 20 只阻值为 150 8Ω 的绕线电阻 10 个并联再串联焊接而成,阻值为 30 8Ω 进行工艺改进。电阻板电阻经常烧损短路,造 成预充电故障。 9、加强技术攻关。对车下电源装置经常出现的故障要组织人员进行技术攻关, 要弄清造成故障的原因,并对解决一类故障的处理方法进行探究。在对一类问题攻关 得到的解决方案,一定要落实到位。分批类的技术攻关不单单提高检修技术,也为检 修人员累积丰富的处理故障经验,使检修人员能更好的了解车下电源装置的工作原 理。 5.2 提高检修人员技术水平 我国铁路电气自动化发展迅速,车辆上的电子设备不断的增加,所以吸收更多电 子专业人才进入铁路系统。提高现有的车下电源装置检修人员的技术水平,对人员进 行专业的电子知识和车下电源装置技术培训,增加检修人员到生产厂家交流学习的机 会。用人单位提供一个良好的学习平台和场所,让检修人员对一些故障进行探讨,并 把处理故障经验进行分享。同时发挥“传、帮、带”的作用,不断地提高检修队伍的 技术水平。 5.3 增加检修设备的投入 增加购入车下电源装置检修设备和对现有设备进行改造。增加电子元器件检测设 备例如示波器等电子检修设备,让检修人参加到对板件的研究和修复上,购买与铁路 相关电子类图书、期刊让检修人员随时可以借阅,让检修人能不断了解学习铁路电子 设备的发展和相关的电子技术,这样能使检修人员有丰富的理论知识。让检修人员的 理论知识在所遇到的故障进行分析,并把所学的技术拿到现场来实践。 5.4 优化检修流程 在检修过程中加强自检、复检工作确保检修质量。加强对车下电源保养,对车下 电源高发故障点进行重点检修,例如散热风扇、散热板、通讯节点等。加强对逆变器、 充电机性能试验,在试验性能参数合格的逆变器、充电机方可装车运用。

6

结束语
当前,我国铁路现代化进程在不断深化,普铁客运列车出现准高速列车,时速达

到 160km/h,同时在供电模式上也有所变化。25T 型及部分 25G 型车辆已大范围采用 机车 DC600V 集中供电,客车车辆上的电器供电依赖车辆的车下电源供电系统。分析 造成车下电源装置故障因素与研究解决对策是一项长期工作,是提高检修质量和电气 应用安全的前提条件。车下电源装置是一种比较复杂的电力电子设备集合体,只有不 断地探索与实践,才能不断的完善这套电力系统。影响车下电源装置故障的因素有很
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多,但每一个故障都是影响行车安全的不定因素。在随着大量带有车下电源装置车辆 投入使用,车下电源装置故障也会随着增加,我们只有熟悉车下电源装置的工作原理 和不断加深对都其所出现的故障进行分析处理,才能完成检修技术的储配和经验累 积,才能使我们的检修队伍的技术水平跟上我国铁路自动化的发展步伐。

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参考文献
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