辅助变流器在我国铁路机车的应用及常见故障分析_张中央 (1)

第27卷第2期郑州铁路职业技术学院学报
Vol．27No．2
2015年6月Journal of Zhengzhou Ｒailway Vocational ＆Technical College
Jun．2015
收稿日期：2015－03－23
作者简介：张中央（1966－），男，河南孟津人，
郑州铁路职业技术学院机车车辆学院教授，研究方向为铁道机车牵引与制动、传动控制系统。

辅助变流器在我国铁路机车的应用及常见故障分析
张中央，吉鹏霄
（郑州铁路职业技术学院，河南郑州450052）
摘
要：辅助变流器是近年来广泛应用于我国新型交直传动和交流传动机车辅助系统的新型电力电子装
置。

介绍辅助变流器在我国铁路机车上的应用情况及其优越性，针对其运用中发生的辅助回路接地、主电路故障不能彻底切除、同步触发信号问题等故障情况进行分析，提出了指导性的解决方法和改进建议。

关键词：铁路电力机车；辅助变流器；IGBT ；故障分析中图分类号：U264．6
文献标识码：A
Application and the Common Faults Analysis of the Auxiliary
Converter on Ｒailway Locomotive in China
ZHANG Zhong －yang ，JI Peng －xiao
（Zhengzhou Ｒailway Vocational and Technical College ，Zhengzhou 450052，China ）
Abstract ：The auxiliary converter is a new type of power electronic devices in recent years widely applies in the new type of China's DC drive and AC drive locomotive auxiliary system．The application of railway locomotive auxil-iary converter in our country and its superiority is introduced．At the same time analyzed aiming at its auxiliary cir-cuit grounding ，the main circuit fault can not be completely resected ，the synchronous trigger signal problems such as fault conditions．The guiding solutions and suggestions is improvemented．
Key Words ：railway electric locomotive ；auxiliary converter ；IGBT ；Fault analysis 0
辅助变流器应用背景
从电力机车诞生一直到20世纪80年代初期，国内外干线电力机车辅助电路的三相交流电源一直采用旋转式劈相机把接触网的单相交流电变为三相交流电。

由于劈相机的噪音大、输出三相380V 交流电压大小受接触网电压波动的影响大、工作不稳定且三相电压对称性不好，造成辅助电动机电磁噪音
和损耗增加，影响电力机车辅机的正常工作。

鉴于以上原因，国内外电力机车制造厂商都在研发旋转劈相机的替代产品，这就是辅助变流器（简称“辅逆变”），也叫静止劈相机，电力电子技术中称之为单—三相静止变流器。

20世纪80年代中期，我国从法国进口的8K 型电力机车的辅助系统就是采用了这种静止劈相机，在当时属于先进技术，而与其
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DOI:10.13920/ki.zztlzyjsxyxb.2015.02.001
同期进口的日本的6K型电力机车采用的还是旋转劈相机。

限于80年代电力电子技术和电力电子器件的发展水平，8K型电力机车的辅助变流器是用GTO器件作为逆变器的主型元件，设计上也存在着一些缺陷和不足，致使在使用过程中GTO元件经常烧毁，出现问题较多。

目前电力电子技术和电力电子器件已经发展到一个新的水平，发达国家的电力机车辅助供电系统已普遍采用辅助变流器供电方式。

我国有关制造与研究机构也一直致力于用电力电子装置替代旋转劈相机的研究开发工作，直到21世纪初才取得了突破性进展，采用IGBT等新型电力电子器件，成功研发出新一代电力机车辅助变流器。

这种新一代电力机车辅助变流器已批量用于国产新型客运电力机车SS9、SS7E的辅助系统和HX型大功率交流传动机车，取代一直沿用了40多年的传统旋转式劈相机，我国电力机车技术进入了一个新的时代。

采用辅助变流器供电将成为未来铁路机车辅助供电系统的发展方向。

1辅助变流器的优越性
国内外电力机车制造厂商竞相用电力电子装置代替旋转劈相机，是因为静止劈相机有着旋转式劈相机所无法比拟的优越性。

①噪音小，改善乘务员工作环境。

②三相交流输出电压大小稳定。

当接触网电压在19 29kV的大范围波动时，由于变流器的中间直流环节作用，变流器能向辅助系统提供稳定的三相380V电压，使辅机工作不受影响。

③三相交流输出电压对称。

由于应用先进的电力电子技术进行单相交流—直流—三相交流变换，可以使变换输出的三相电达到完全对称，极大改善了辅助电机的供电质量，提高辅助电机的工作稳定性。

④节能潜力大。

由于辅助变流器有一组为变频变压（VVVF）逆变器，可以使所有通风机电机变频起动，并可随牵引电流的变化而改变电源频率，达到节能降耗的目的。

⑤提高整流器输入侧的功率因数。

⑥变流器为软起动方式，能够有效减小辅助电机的起动电流。

⑦变流器过载能力强。

允许除牵引风机以外的其他辅助电机突然投入。

⑧简化机车辅机起动控制电路，提高系统可靠性。

2辅助变流器在我国电力机车的应用情况
电力机车辅助系统中，辅助变流器的整流电路主要有两种形式：一种是相控桥式整流电路，另一种是脉冲式整流电路。

相控桥式整流电路技术比较成熟，应用时间较长，但其输入侧功率因数低，对电网污染严重，法国8K型电力机车用的就是这种类型。

脉冲式整流电路是为了解决相控桥式整流电路存在的缺点而于近几年首先在铁路电力机车上应用的，这种整流器能方便地在整流或逆变的四个象限工作，也称之为四象限变流器，它可以从电网上获取与网压同相位的近似正弦交流电，使电网的污染减小到最小限度。

我国SS7E型电力机车首次批量采用四象限辅助变流器取代劈相机，随后SS9型机车也开始应用，新一代HX型大功率交流传动机车均采用辅助变流器。

用交直交变流技术，将机车提供的单相AC337．8V变换成三相AC380V（PWM波），为机车的三相交流辅助电机、空调等提供电源。

3辅助变流器常见故障分析及解决方法
原郑州铁路局郑州机务段与西安机务段于2004年开始使用SS7E机车，2007年后陆续配属批量HX 型大功率交流传动机车。

我们对辅助变流器的应用情况进行了长期跟踪调研，经过梳理归纳，运用中的主要问题集中在以下方面。

3．1机车辅助回路接地或过流，造成辅助变流器不能工作
由于机车辅助电路的窗加热、取暖、热饭箱、空干加热装置及三相负载的故障接地和过流（辅助电路及自带负载故障、冷却水电机及冷却风扇）等引起辅助回路接地、过流，造成辅助变流器接触器不吸合，机车主断路器跳闸。

针对此类故障，解决办法如下。

①对辅助电路的取暖、电炉电路进行改造，使上述电路出现接地时可被完全隔离，维持机车运行。

②对每台辅助变流器柜内的自冷风机进行改造。

给辅助变流柜冷却用风机电机安装座加装绝缘板、固定螺丝处加橡胶垫圈，防止冷却风机电机接地。

3．2辅助变流器主电路故障不能彻底切除
辅助变流器故障隔离扳钮在故障位时，一路切除辅逆变输出接触器，另一路切除辅逆变的起动信
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号，但其主电路中充电回路接触器却无法切除。

如，SS
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机车的逆变器V12回路压敏电阻击穿后，由于充电接触器K4不能切除，机车交流输入340V长时间直接加在充电电阻Ｒ2、Ｒ4上，而充电电阻的设计为短时工作，导致Ｒ2、Ｒ4电阻发热严重、烧损内部布线等严重后果。

针对此故障，需要对辅逆变故障隔离开关进行改造，见图1。

使故障隔离开关SA31、SA32、SA33、SA34有一对节点能够同时切断充电接触器K3、K4线圈电路，使K3、K4节点断开，从而断开主回路的充电电路，这样就可以避免压敏电阻（浪涌吸收器）、充电电容击穿后造成辅逆变主回路充电电阻过热发
红而烧损线路；同时也能避免因此造成的火灾隐患。

图1辅逆变故障隔离开关改造原理图
3．3辅逆变的同步信号问题
辅逆变的网压同步信号取自机车车顶的高压电压互感器，由于未使用屏蔽线，机车辅逆变及各辅机工作时产生的电磁干扰，以及电网谐波的冲击都会影响网压同步信号，使触发电路不能正常工作。

解决方法：把辅逆变网压同步信号线换为双绞屏蔽线，即从主变器端子排至I、II端司机室接线端子、排到辅逆变的控制插座信号线全部采用双绞屏蔽线。

这样可有效减少电磁干扰。

3．4主变压器风机、压缩机过流对辅助变流器的影响
由于主变压器散热器积灰较多，造成风阻变大，主变风机工作时转速下降，从而造成主变风机过流。

部分机车由于压缩机逆止阀不良，列车总风缸风压窜进压缩机，造成压缩机在起动时电流过大，从而造成辅助变流器过流保护。

在辅逆变负载电流突然增大时，与辅逆变主电路串联的电感L上的电流不会突变，从而导致中间支撑电容放电，其中间直流环节电压减小。

此时微机自动控制系统还来不及调节，造成辅逆变中间直流电压降低，导致主控板红灯亮，显示整流器故障。

解决方法如下：
①改进设计程序，进一步提高微机控制系统的自动调节响应速度，增强其可靠性；
②机车小修时，对主变散热器进行冲洗，确保主变风机风路畅通，减少风阻；
③机车小修时，对压缩机逆止阀进行解体检查，发现不良要及时更换。

3．5辅助变流器工作环境影响产生的故障
新型机车采用独立通风系统，机车一旦工作，辅助变流器就投入运行，散热器及空气滤网上的灰尘聚集非常厉害，会造成散热器散热不良而保护（散热器安装有热保护温控器）引起变流器不能正常工作。

HXD3型机车从200号机车以后改风冷为水冷，解决了这个问题。

另外，由于车内环境空气不洁，造成变流器的模块上有灰尘，绝缘降低，会造成模块间放炮。

4结论
我国新型机车应用辅助变流器代替旋转劈相机是电力机车技术的一大进步，虽然存在着一些问题，但由于新型机车采用了先进的微机网络控制系统，一般情况下，变流器工作过程中出现的瞬间故障，微机通过封锁变流器即可进行保护，重新启动复位；机车运行中乘务员可以通过手触微机显示屏，切除故障一组辅助变流器，用另外一组代替其工作进行应急处理，从而维持机车运行。

只要机车乘务、检修工作人员按章检查、检修、维护保养，制造厂商根据各运用单位反馈意见不断改进设计，辅助变流器一定会顺利替代旋转式劈相机，显示出其无比的优越性。

参考文献
［1］余卫斌．韶山
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型电力机车［M］．北京：中国铁道出版社，2005．
［2］罗铁军，徐培刚，彭军华．HX
D
1C型电力机车逆变过流故障［J］．机车电传动，2014（6）：104－109．
［3］张中央，李晓村．机车新技术［M］．成都：西南交通大学出版社，2014．
［4］杨永林．韶山
7E
型电力机车［M］．北京：中国铁道出版社，2004．
［5］张曙光．HX
D
3型电力机车［M］．北京：中国铁道出版社，2009．
［6］王鑫，赵清良．地铁车辆辅助变流器的设计与仿真［J］．机车电传动，2006（4）：43－45．
［责任编辑：方艳］
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