广州地铁6号线GKoc1000型内燃机车空调故障解析

李金亮

（广州市地下铁道总公司，广东广州 510380）

0 引言

广州地铁六号线GKoc1000型内燃机车（以下简称内燃机车）是南车资阳机车有限公司设计的液力传动调车机车，适用于城市轨道交通列车的调车及列车救援等作业。机车装车功率444 kW，最大运用速度为80 km/h。其主控电路为24 V，空调为220 V交流供电的上海立特工业空调。机车采用了PLC控制加彩色显示屏、微机控制电液换向等。该机车在设计阶段为更有利于减小机车通过65 m曲线时对轨道的侧压力，缩短了机车总长度，在机车总体布局上将原起动发电机通过柴油机自由端驱动传动轴、传动轴驱动变速箱、变速箱再驱动发电机的方案更改为柴油机自由端皮带轮直接驱动发电机的方式，由于皮带传递的功率有部分损失，导致输出的110 V电压存在波动现象。

1 空调故障

在使用过程中发现空调工作时，空压机启动瞬间，由于负载瞬时增加导致辅助发电机皮带瞬时打滑异响严重，此时辅助发电机输出功率急剧降低，实测其经过电压调整器后的110 V输出电压变化范围在68～150 V之间，而空调逆变器输入电压范围为90～150 V，电压的突变导致空调频繁出现停止工作、烧坏压缩机启动电容、欠压保护开关跳闸的现象。

1.1 系统原理分析

空调采用220 V交流电工作，辅助发电机发出的直流110 V经过电压调整器后通过逆变电源逆变为220 V交流电。

1.1.1 电压调整器参数

电压调整器的作用是当柴油机转速发生变化或负载改变时，自动调节启动发电机的励磁电流，维持发电机输出DC110V电压恒定于DC110V±2V伏。TT-DYT/Ⅰ型电压调整器具有双备份电路，在一路电路出现故障时，可以立即切换到备用电路，提高了机车运行安全。

1.1.2 空调系统电路原理

110 V直流发电机发电经过电压调整器后变为稳定的110 V直流电，打下空调电源开关FSM1后，K101和K102接线端子输出110 V直流电进入空调逆变电源。经过逆变后的220 V交流电通过K401、K403、K404给空调压缩机供电和空调控制面板供电。如图1、2所示。

图1 空调控制开关电路

图2 空调逆变电源输入输出电路

2 原因分析

2.1 检测分析

用示波器分别测试了空调逆变电源在只有空调负载和空压机启动瞬间110 V直流输入和220 V交流输出电压谐波信号波形图，进一步分析在各种工况下电压信号跳动幅度及平稳度。

图3 第二检测点波动图

空调供电电路监测点：空调开关FSM1闭合后由K101、K102进入空调逆变电源，此处为第一监测点；经过逆变后的电压变为220 V交流电，即K101、K103进入空调主回路，此处为第二监测点。

第一监测点显示：只有空调工作时，进入逆变器110 V电压为直流波，但是存在较明显的径向跳动，电压保持在68～150 V之间，且在空压机启动瞬间会达到150 V。说明电压调整器输出的电压不平稳。此时辅助发电机输出功率急剧降低，而空调逆变器输入电压范围为90～150 V，同时检测空调回路电流突变最高值达到100 A左右。

第二监测点显示：220 V交流电压的正弦波形横向跳动很大，说明逆变电源滤波不好，有杂波，径向波动不明显。这是输入电压不稳定所致（图3）。

2.2 发电机驱动方式

值得注意的是，弹性联轴器直接传动效率为0.99～0.995，传动效率接近1；但对皮带传动效率为0.92～0.95之间，因此，皮带传动机组需要小功率，传动的效率低。同时皮带传动效率与皮带的张紧和打滑程度有关，不好控制。根据经验，满载时功率消耗1%左右，同时由于皮带的缓冲，会引起发电机组的波动频率[1]。

由于在空压机启动瞬间，负载急剧增加，由于皮带瞬时发生变形，皮带和带轮之间的摩擦力小于皮带的传动力，故产生打滑现象；皮带变形后不能在短时间内恢复原状，故不能完全传递所需的功率，进而导致发电电压不稳定[2]。

3 解决措施

3.1 发电机驱动方式

该机车在设计阶段为更有利于减小机车通过65 m曲线时对轨道的侧压力，缩短了机车总长度，在机车总体布局上将原起动发电机通过柴油机自由端驱动传动轴、传动轴驱动变速箱、变速箱再驱动发电机的方案更改为柴油机自由端皮带轮直接驱动发电机的方式。目前没有足够的安装空间加装张紧轮，故无法更改发电机驱动方式，可通过更换为齿槽型皮带增加摩擦力，提高功率传递效率。

3.2 选择合适的压缩机电容

3.2.1 检测方法

压缩机从启动到正常运行仅仅工作数秒钟，当启动电容因某种原因断路或击穿时，造成压缩电机绕组与电压形成不了相位差，压缩机电机便不能正常工作，一旦压缩机出现工作声音异常，同时伴随着数秒内空调跳闸等现象，就有可能是其启动电容故障。具体测试方法如下[3]：拆下电容器，将电容器两个接头短接放电，因为其内部可能残留电荷，测量时，它会向万用表表头放电，严重者，烧毁表头线圈，轻者，会把表针打弯，影响表头灵敏度。测量电容时，把万用表拨到1 kΩ档或10 kΩ档均可，两表笔接电容两端接头。

（1）若表针向0Ω偏转，随后，表针又慢慢返到几百kΩ以上，此电阻是电容的漏阻，刚开始时表针的偏转是表内电池向电容充电的结果，表针返回，说明充电器是好的。

（2）若表针偏向0Ω不返回，说明电容短路。

（3）若表针不动，说明电容断路。

（4）若表针指向0Ω偏转后，返回几kΩ，可以确定电容漏电。电容漏电，使线路损耗增大，移相效果下降，旋转磁场不正常，压缩机不能正常启动。

3.2.2 压缩机电容的选用

更换电容，要对其额定工作电压、容量和型号有全面的了解。由于电容承受电压有一定限度，这个限度就是它的额定工作电压，俗称耐压，如果外加电压超过了这个限度，电容器的寿命就会缩短，甚至被击穿。容量过大，电路电流增大，虽然启动力矩增大，但运行效率却下降了，当电容数值增加到原电容数值200%时，启动力矩会成倍增长，而运行效率将从50%下降到20%，压缩机会出现过热，缩短使用寿命，所以，只要能保证压缩机能正常启动和运行，电容选小些，这样耗电少，长时间运行也安全。启动电容应选用无级性电容器在更换时应尽量按原规格使用。经查资料，内燃机车使用的空调压缩机额定功率为1.925 kW，通过对照应选用30～50μF的电容。

3.3 空压机启动方式

空气压缩机电机的额定工作电流为165 A，起动该空压机电流大约为500 A，由于空压机起动电流很大，发电机短时负载很大，导致皮带容易打滑，皮带打滑又导致发电机输出电压下降，甚至低于空调正常工作电压。为了解决该问题，采用空压机电机降压起动的方案[4]。

在机车后机室增加一个降压起动柜，内装一只降压起动接触器和一只0.5欧姆的降压起动电阻3R。空压机起动时，首先投入KMC1，空压机降压起动，起动电流大约200 A，5～10 s（PLC设置）后，KMC闭合，断开KMC1，空压机正常运行。由于降压起动时，空压机电机电流下降到原电流的40%，发电机的负载大幅下降，输出电压下降更小，有利于稳定逆变电源的输入电压，减少对空调机组的冲击。电气原理如图4所示。

该降压启动动作通过PLC程序实现（图5）。

M8000为空压机启动输入，X036和X035为自动打风，X034为手动打风输入程序；4 s后T20被激发，常开触点闭合Y021激活，2 s后T21常闭触点断开，降压启动结束，程序转入全压启动运行。

4 总结

图4 降压启动电气原理图

图5 降压启动PLC程序梯形图

通过更换发电机皮带为齿槽型皮带、选用容量相当的空调压缩机电容、空压机采用降压启动装置后，经过反复测试，空压机不工作时，110 V回路电流为48～60 A；空压机启动瞬间110 V回路电流最大为137 A，有效的缓解了发电机皮带打滑，将空压机的启动电压连续、平稳的上升直到达到额定电压。降压启动装置安装便捷，通过程序控制，隐患小，维护方便。降压启动装置故障后，可直接通过全压启动方式实现，降压启动后电压突变对线路冲击变小，彻底的解决了空调压缩机空气开关频繁跳闸、烧损电容等现象。

［1］杨永平.皮带传动发电机组［J］ .移动电源与车辆，1993（3）：12-14.

［2］张琛.直流无刷电动机原理及应用［M］.北京：机械工业出版社，1996.

［3］陈长勇，丁敬强，彭亚非.空调压缩机启动电容损坏的检测［Z］.冶金标准化与质量，2003（5）：42-44.

［4］李永河.电机软启动器在空压机改造中的应用 ［J］.软件，2008（5）：59-60.