HXD3机车APU故障原因分析及措施

张宝凯

(沈阳铁路局 苏家屯机务段,辽宁沈阳110101)

自2009年10月～2010年 4月期间,连续有10余台HXD3机车出现APU故障,造成机车辅助供电出现问题,TCMS显示故障现象是APU门极异常,为此专门就该问题进行调查,查找故障原因,发现主要是APU逆变单元体出现问题。

1 故障原因调查

能够造成APU逆变单元体故障的部位主要有5个处所,如图1阶段APU门极工作原理图所示。分别是AVR4(Ⅰ),IGBT(Ⅱ),GDC114-LO门极基板(Ⅲ),DET-51基板(Ⅳ),APU-CTR(Ⅴ)等 5个部位,各部位功能及影响如下。

图1 APU门极工作原理图

(1)AVR4是给APU和IGBT门极电路板提供控制电源的单元体,如果出现问题,可能导致控制电压低,导致门电路电源低下,造成逆变单元异常。

(2)IGBT是APU逆变器中的变流模块,如果IGBT在运用过程中出现任何异常,都会导致APU逆变器异常。

(3)GDC114-LO基板是为APU逆变单元IGBT开放、关闭提供控制信号的基板,如果基板出现异常也会导致APU逆变单元异常。

(4)DET-51基板是负责门电路基板与控制单元体中间通信用基板,如果此基板异常,APU逆变单元也会出现异常。

(5)APU-CTR控制单元体是辅助供电系统工作的控制中心,如果控制单元自身电路或者软件出现异常,也会造成逆变单元出现异常。

2 故障原因查找

针对以上能够引起APU逆变单元体故障处所进行故障查找,AVR4可以使用万能表直接通过测量输入输出电压值来检测是否正常;IGBT可以通过外观检查是否正常,如果IGBT本身质量问题,会出现内部烧损变形或裂损现象,来判断是否正常;APU-CTR控制单元体出现故障可以通过重新灌装程序或整体更换单元体来检测是否正常;GDC114-LO基板和DET-51基板是信号转换电路板,无法直接从外观检查是否异常,只能通过替换相关基板来检测判断其是否正常。通过上述故障调查,将更换后的基板进行检测以及对已发生故障机车更换部件统计,发现更换GDC114-LO基板24块,由此可以得出GDC114-LO基板是造成近期APU故障的主要原因。

3 GDC114-LO基板工作原理

该基板是控制APU逆变单元体IGBT门极开关的电路板,具体控制原理是当APU控制单元体发出门信号指令(以一条通道为例),基板G1A与P15接口构成发出指令回路,发出脉冲低电平信号,通过光电耦合器形成光信号,光信号又经过光电耦合器转换成高电平发送到IGBT,IGBT接到开或关高电平信号,同时发出反馈信号,又通过光电耦合器完成电—光—电转换成低电平反馈到APU控制单元体,APU控制程序对发出和反馈的脉冲信号进行运算比较,判断IGBT开关是否正常。

4 故障基板检测结果

为了对GDC114-LO基板工作情况做进一步的了解和分析,对从故障机车解体回来的基板进行测试,测试结果如图2所示。编号为E004950414基板,通过检测该基板的两个通道,发现该基板接收到APU发出的脉冲信号在两个IGBT门极GA-EA、GB-EB之间测得的脉冲信号是正常的,但是在从两个 IGBT反馈到APU控制单元的脉冲信号,在两个通道中,BA-F15通道检测的脉冲信号是不正常的,但另一通道BB-F15检测的脉冲信号是正常的。同样测得编号为E004950446基板,发现该基板的BA-F15通道检测的脉冲信号是正常的,而另一通道BB-F15检测的脉冲信号是不正常的。

通过图2检测结果可以得出,能够造成该型号基板故障问题的处所可能为出现在光电转换环节,为此对故障电路板的光电耦合器进行拆解,同时也对新电路板的光电耦合器进行拆解,分别进行测试,测试结果如图3所示,(a)是正常光电耦合器的波形,(b)是故障耦合器的波形,由此可以看出,电路板通道存在的问题是由于光电耦合器质量问题造成的。

图2 光电回路检测波形

5 光电耦合器的简单介绍

5.1 光电耦合器原理

光电耦合器是一种发光器件和光敏器件组成的光电器件。它能实现电—光—电信号的变换,并且输入信号与输出信号是隔离的。目前极多数的光电耦合器输入部分采用砷化镓红外发光二极管,输出部分采用硅光电二极管、硅光电三极管及光触发可控硅。这是因为峰值波长900～940 nm的砷化镓红外发光二极管能与硅光电器件的响应峰值波长相吻合,可获得较高的信号传输效率,光电耦合器的主要功能是防止电路一侧出现过高的电压,或快速变化的电压损坏元器件或影响另一侧的传输。具体方法是使需要的信号以光学的形式通过,同时在两个系统之间保持电性隔离。基本结构如图4所示。

图3 光电耦合器性能测试对比图

图4 光电耦合器基本结构

5.2 光电耦合器特点及应用范围

光电耦合器的主要特点是输入与输出之间绝缘(绝缘电压可达数千伏);信号传输为单方向,输出信号不会对输入信号有影响;能传输模拟信号也可传输数字信号;抗干扰能力强;体积小、寿命长;由于无触头,因此抗振性强。近年来由于生产工艺改进,SMT(电子贴片技术)的发展,开发出性能更好、尺寸更小的贴片式光电耦合器,它由DIP6管脚封装改进成4管脚封装,不仅改小尺寸,并且减小了干扰,它主要应用于隔离电路、开关电路、逻辑电路、信号长线传输、线性放大电路、隔离反馈电路、控制电路及电平转换电路等,其重要参数是电流传输比(CTR),即在一定工作条件下(IF及VCE),光电耦合器的输出电流Ic与输入电流IF的比值,一般用百分比表示,其值低的从几到几十,高的从几十到几百,有的可达上千。电流传输比CTR越大,则在同样的 IF下,输出电流Ic大,驱动负载的能力也强(或者说IF较小可获得大的Ic),HXD3机车APU门极电路板光电耦合器采用的形式就是电平转换电路。

6 采取措施

针对APU逆变单元体门极基板光电耦合器存在的批次质量问题,而且已经装车到机务段运行,要求供方立即采取措施,进行补救。

6.1 做好问题基板的统计

通过组装记录查对以及装车情况,批号0834～0911的基板分布在沈阳铁路局的情况如表1所示,不良光电耦合器数量360个,其中APU整流单元体有144个,逆变单元体有216个,尽管整流单元体暂时没有发生问题,但同样工艺制作,也存在风险和隐患,也作为问题隐患进行掌握。

表1 不良光电耦合器数量

6.2 确立改进方案

要求相关单位制定出具体的更改换方案。①整流单元体和逆变单元体每种型号至少在机务段要有5块基板作为备品周转。②组织人员对更换回来的电路板尽快进行两种光电耦合器的更换,更换完毕的基板必须进行测试且合格,方可出厂回段。③机务段技术科和工厂售后服务人员要随时跟踪更换完毕基板的机车运用情况,防止再次出现问题。