BORDLINE CC400紧凑型变流器的原理分析及故障探究

杨建宇， 朱 波

(长春市轨道交通集团有限公司， 吉林长春 130012)



BORDLINE CC400紧凑型变流器的原理分析及故障探究

杨建宇， 朱 波

(长春市轨道交通集团有限公司， 吉林长春 130012)

BORDLINE CC400紧凑型变流器是由ABB瑞士有限公司设计制造的紧凑式变流装置，其防护等级为IP65，此变流器进行了模块化设计，维护方便，通过专业的监控软件可以对内部信号进行控制和数据分析。主要介绍BORDLINE CC400紧凑型变流器的工作原理，根据此型号变流器在轻轨车辆上运行几年来实际出现的故障进行探讨与研究。

紧凑型变流器； 模块化设计； 原理； 故障

长春轻轨车辆由两个动车模块和一个拖车模块编组而成，编组方式为Mc1+Tp+Mc2。车体采用铝合金结构，由先进的液压制动系统，电动塞拉门系统，BORDLINE CC400紧凑型变流器控制系统，空调机组，受电弓受流系统，车头前端事故车钩等单元机构构成。

BORDLINE CC400紧凑型变流器是由ABB瑞士有限公司设计制造的紧凑式变流装置(图1)，其防护等级为IP65，此变流器进行了模块化设计，将高压系统、牵引系统、辅助系统、冷却系统集成为一体，维护方便，通过专业的监控软件可以对内部信号进行控制和数据分析。

1 高压系统简介

高压系统采用接触网受流方式。受电弓安装在拖车(Tp)上，DC 750 V高压母线经拖车(Tp)上的高压熔断器，分别送到动车1(Mc1)和动车2(Mc2)的变流器箱内。每一牵引变流器经一个熔断器、一个直流线断路器(LCB)和一个电抗器(MSR1与MSR2模块)，如图1所示，与来自接触网线的750 V直流电压连接。用于车上电源与蓄电池充电(HSR模块)的直流—直流辅助变流器经一个熔断器、一个去耦扼流圈、一个保护二极管和一个预充电IGBT。

图1 BORDLINE CC400原理图

2 牵引系统简介

牵引系统的基本任务就是把输入的电能转化成车辆的轮轴牵引力。该牵引变流器模块(MSR)可以运行在四个象限(前进/后退以及牵引/制动)。频率范围从0到137 Hz。通过脉宽调制的方式控制牵引逆变器，调制频率为2 kHz的常量。在制动方式中，制动能量经中间直流电路反馈至接触网。制动斩波器的位置与牵引逆变器并联。在无能量反馈至接触网的情况下，制动斩波器限制中间直流电路的动态过电压，并与外部制动电阻一起提供电制动功能。每一牵引变流器模块可独立运行，这样在一个模块出故障的情况下，变流器仍能以50%的功率输出运行。

3 辅助系统简介

辅助系统主要包括辅助变流器(HSR)、蓄电池、交流负载的配电保护、直流负载的配电保护、空调控制、照明控制、辅助变流器(HSR)故障时的扩展供电等。

辅助变流器(HSR)将直流回路电压转换为AC 380 V三相交流电和DC 24 V直流电。AC 380 V三相交流电为列车的交流负载供电；DC 24 V直流则提供直流母线电压并且为蓄电池充电。

辅助变流器、充电机均与牵引变流器集成在一个箱内，并安装在Mc1模块和Mc2模块上。正常情况下Mc1模块的辅助变流器输出的AC 380 V电源供给Mc1空调机组、电热和Tp模块的废排风机，Mc2模块输出AC 380 V电源供给Mc2空调机组、电热。当车辆的两台辅助变流器中有一个发生故障时，正常运行的那台辅助变流器就会自动为故障端的交流负载提供电能。此时整车交流负载将减载运行。

在Mc1和Mc2模块上各装有1组少维护镉镍烧结式碱性蓄电池。两组蓄电池的输出端并联在DC 24 V列车母线上。

4 牵引变流器

(1)BORDLINE CC400紧凑型变流器模块化设计。图2显示BORDLINE CC400紧凑型变流器的主要模块MSR、HSR/BL和HBU的位置。

图2 BORDLINE CC400紧凑型变流器

(2) 牵引型变流器(MSR模块)

MSR模块主要由制动斩波单元、电容以及牵引逆变单元组成。

牵引电机由牵引逆变器所产生电压与频率均可变化的三相交流电来驱动。在四个象限都可以运行(前进/后退以及牵引/制动)。频率范围从0到137 Hz。

牵引逆变单元和制动斩波单元由大功率的IGBT模块组成。它们通过脉宽调制的方式控制，调制频率为2 kHz的常量。

在制动方式中，制动能量经中间直流电路反馈至接触网。

制动斩波器的位置与牵引逆变器并联。在无能量反馈至接触网的情况下，制动斩波器将限制中间直流电路的动态过电压，并与外部制动电阻一起提供电制动功能。

BORDLINE CC400紧凑型变流器包括两个一样的牵引变流器(模块MSR1和MSR2)，每一牵引变流器模块可独立运行，这样在一个模块出故障的情况下，变流器仍能以50%的功率输出运行。

这两个变流器安装在右侧与左侧绞链盖下(关于位置见图2)。每一牵引变流器由安装在水冷式冷却结构上的4个IGBT单元(3个牵引逆变器和1个制动斩波器)、4个相关的门驱动器、4个电流传感器以及中间电路组成。中间电路的电容安装在MSR模块的下部，具体见图3。

图3 牵引变流器(MSR模块)整体视图

5 冷却系统

BORDLINE CC400紧凑型变流器为水冷式。水-空气热交换器位于外部冷却单元(HEX)内。

BORDLINE CC400紧凑型变流器装备有一个用于主功率元件的水冷却回路。在每一变流器外壳前面有一个外部热交换器(HEX)(见图4)。

主要分为水冷却环路和空气冷却环路。

5.1 水冷却主环路

水冷却主环路如图4所示。它负责牵引模块和辅助功率模块的冷却。工作介质为蒸馏水和乙二醇的混合物，并添加有抑制剂以防止锈蚀(对于水和乙二醇质量的混合技术规范为46%:54%)。

5.2 封闭式空气冷却环路

除了水冷却环路外，装配有空气-水热交换器的一个封闭式强迫压力空气冷却环路安装在BORDLINE CC400紧凑式变流器中(见图4)。该冷却环路用于消散来自无源功率器件(例如电容器、电抗器、配线)以及控制电路的损耗产生的热量。

图4 冷却回路

6 辅助变流器

(1) 辅助变流器(HSR模块)位置(见图2)，HSR模块是一个独立单元，它可独立于MSR模块进行操作。

BL模块是一个DC-DC辅助变流器,它产生DC 24 V直流电，供给车上的直流负载并为蓄电池充电。

HSR模块为HBU模块提供600 V直流输入电压。

两个直流—直流变流器都经变压器进行电隔离，且都包括由牵引控制单元经门驱动器进行控制的IGBT模块。由安装在水冷式冷却结构上的功率电子器件、相关的门驱动器、电流传感器和中间电路组成。具体见图5。

(2) 辅助电源变流器(HBU模块)

HBU模块位置(见图2)。是由两个DC-AC变流器(HBU1和HBU2)组成。它们是由牵引控制单元门驱动器进行控制的IGBT模块。

HBU1用于列车的三相交流负载。

HBU2提供热交换器冷却风扇的三相交流电源。

车上交流电源变流器的输出端接有一个正弦滤波器用来将400 V的交流输出电压变平滑，从而在输出端得到正弦电压。为热交换器冷却风扇的交流输出端提供幅度与频率可变的电压，其控制取决于热交换器中的温度。

图5 直流-直流变流器(HSR模块)

HBU模块是三相交流电源和三相交流冷却风扇电源的直流-交流变流器，其由一个预充电的IGBT模块和安装在水冷式冷却结构上的两个功率电子器件、相关的门驱动器和中间电路组成。具体见图6。

图6 直流-交流变流器(HBU模块)

以上是关于BORDLINE CC400紧凑型变流器的原理简单分析，现根据工作中遇到的实际车辆故障进行如下排除。

7 故障探究

(1)故障1

MC1端牵引变流器液位报警故障的处理过程。

故障现象：

在对2019车调试过程中，网络监控系统IDU显示屏内显示MC1端"牵引逆变器1报警"故障，故障寄存器2显示故障代码“32”的故障。其含义为：冷却水位低导致报警。

处理措施：针对上述故障信息，我们根据牵引逆变器冷却单元保护电路接线原理图(图7)先进行了原理分析，后采取了如下处理措施：

图7 牵引逆变器冷却单元保护电路接线原理图

①更换MC1端牵引逆变器TCU控制板，更换后故障依然存在，故排除TCU控制板故障的情况。

②打开牵引逆变器冷却单元内的接线箱，在接线端子上分辨出与报警(上)液位传感器及警告(下)液位传感器相连接的各控制导线，然后进行如下测试：

在冷却单元接线箱端子的出线端将上液位传感器信号线(第7点)与下液位传感器信号线(第9点)对调，观察IDU显示屏故障依旧。

甩开第9点下液位传感器信号线，将第7点上液位传感器信号线分别接入端子拍第8，9，10点，IDU显示屏除显示上述故障信息外，同时新增加了"牵引逆变器1故障"的故障信息。

甩开第7点上液位传感器信号线，将第9点下液位传感器信号线分别接入第7，8，10点，IDU显示屏显示同样的故障信息。

将第7点及第9点的传感器信号线全部甩开不接入，IDU显示屏新增加"牵引逆变器1故障"的故障信息。

此测试方法可初步认为上液位传感器和下液位传感器的输出信号有所不同，原因是第7，9点的信号线对调后不能消除故障。

③将MC2车牵引逆变器TCU2控制板X104的第3点(液位报警信号输入)信号线W624拆除，用一根导线的一端与W624连接，同时将这根导线的另一端接入MC1车牵引逆变器TCU1控制板的X104第3点(之前将该点的W624拆除)，然后给车组上电，观察IDU显示屏牵引逆变器1故障消除，但是牵引逆变器2发生了报警和寄存器2出现故障代码“32”的故障，据此可判断是牵引逆变器1冷却单元“报警”液位传感器故障。

此测试是利用牵引逆变器2冷却单元正常的上液位传感器的输出信号提供TCU1控制板，通过测试结果可判断被替换的液位传感器的好坏。

④从其他牵引逆变器冷却单元拆除一只上液位传感器，将该传感器探头伸入装满水的矿泉水瓶，用胶带对瓶口进行简单密封不至于倒置时使瓶内的水流出。将该传感器电源负线“兰”接入牵引逆变器右侧端子的第7点，正线“绛”接入第8点，将信号线"黑"用一根短导线连接并接入TCU1控制板的X104第3点，接入前拆除该点W624线。之后将装有液位传感器探头的水瓶倒置，对车组上电，发现逆变器1“报警”故障及寄存器2故障代码32消失，由此能证明该液位传感器是好的，可以进行更换。

(2)故障2

MC1端牵引变流器速度信号异常的处理过程：

故障现象：2010号车在正线运营过程中，网络监控系统IDU显示屏内显示MC1端"牵引逆变器1报警"故障，警告寄存器3显示故障代码"8"的故障，含义为：M1的电机速度信号不正常，由于牵引机的转速不同步，导致电机异响及制动力减弱。

处理措施：针对上述故障信息，我们对2010号车MC1端电机1速度信号进行了监测，确实发现车辆在牵引或制动时第1位电机明显快于第2位。

根据此故障现象我们采取了如下处理措施：

①更换了速度传感器，故障仍然存在。

②更换了速度传感器插头，故障仍然存在。

③更换了BORDLINE CC400变流器的控制板，同时为了确认之前的软件更新正确，重新更新软件，但故障仍然存在。

④互换了控制器X10点上1位和2位的连接线(如图8) 1、2位电机速度信号接线，但故障仍然存在于速度传感器1。

图8 1、2位电机速度信号接线

⑤用一根普通不带屏蔽的线缆对从控制器X10 1/2/3/7点一直到速度传感器插头(见蓝色框出部分)，见图9一位电机速度信号接线，故障消失，但是当更换成原线缆中的备用线时，故障再次出现，因此怀疑变流器内部是否有问题。

图9 一位电机速度信号接线

⑥当车辆不带高压用外力推车时速度信号正常，但是当车带高压驾驶时故障出现，有两种可能：

a.速度传感器信号在变流器开始工作时受到高压的干扰。

b.BORDLINE CC400紧凑型变流器的控制器在开始工作时内部受到高压的干扰。

⑦用示波器测量不同情况下速度传感器的波形，分别见：图10变流器带高压进行驾驶速度波形、图11变流器不带高压用外力推车时速度波形。

图10 变流器带高压进行驾驶速度波形

图11 变流器不带高压用外力推车时速度波形

从图10中可以明显看出，信号受影响非常严重，我们在中间节点连接正常的情况下校验了传感器所有连接和屏蔽，一切正常，但是当所有连接分开、分段测量便发现从变流器箱体端部X7连接器到司机室内部屏蔽线没有接地，打开此线两端的插头检查，发现在X7端屏蔽线未做接壳连接(未接地)。见图12 X7接线。

图12 X7接线

(8)将屏蔽线接地后再用BORDLINE VIEW监控，速度信号恢复正常，通过示波器可以看出速度信号已经基本没有了干扰，如图13。

图13 示波器测试

速度传感器速度异常过快是由于屏蔽层未接地所导致，将屏蔽层按照要求接地后故障消失。

8 结束语

在介绍BORDLINE CC400紧凑型变流器原理基础上，更深入的对实际车辆故障进行了剖析，根据发生不同的故障等级,对车辆在线运营带来了不同层次的影响，从而增加了车辆在线运营延误时间。

[1] 冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统[M].北京：高等教育出版社，2009.

[2] 长春市轻铁工程70%低地板轻轨车使用维护说明书.第2分册.第1部分牵引系统[R],2007.

[3] 康华光.电子技术基础[M] 北京：高等教育出版社，2005.

[4] 赵嘉涛.电力机车电器[M].北京：中国铁道出版社，2005.

[5] 邓木生.电子技能训练[M].北京：机械工业出版社，2002.

Principle Analysis and Fault Inquiry of BORDLINE CC400 Intensive Converter

YANGJianyu,ZHUBo

(Changchun Rail Traffic Group Co., Ltd., Changchun 130012 Jilin, China)

BORDLINE CC400 intensive converter is an intensive converter device designed and manufactured by ABB Switzerland Co., Ltd. The protection grade reaches IP65. This converter is modular design, convenient maintenance, and its internal signals' control and data analysis can be performed by professional monitoring software. This paper mainly introduces the working principle of BORDLINE CC400 intensive converter, explores and studies the faults of this converter running on light rail vehicles over the past few years.

intensive converter; modular design; principle; fault

1008-7842 (2015) 03-0105-05

��)男，工程师(

2014-11-03)

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.26