HXD1型牵引变流器模块检修数据研究及运用

龚菊芳

（中国铁路广州局集团有限公司广州机车检修段）

0 引言

近年来，随着和谐型电力机车运用时间增加，牵引变流器核心器件IGBT故障日益显现，严重影响列车的运用可靠性。其中牵引变流器IGBT元件失效后，不仅会造成机车损失某个电机或某架的牵引力，影响机车牵引力发挥；严重时，还会造成周边电路和部件损环，存有较大运行安全隐患。如何有效降低IGBT故障的发生，提升牵引变流器可靠性，成为当前亟待解决的主要问题之一。

1 变流器模块功能原理

变流器是一种电能变换装置[1]，HXD1型机车牵引变流器采用以IGBT为功率元件的水冷变流器模块[2]，每柜装有8个主变流器模块（四象限、牵引逆变器模块各4个）。每个变流器模块包含8个IGBT元件组成4个变流桥臂（如图1、图2所示）。变流器模块实现互换、模块化等便于维护性设计，两种变流模块可完全互换，通过控制信号自动识别判断是四象限整流还是逆变模式。如图1所示，由于四象限输入电流较大，采用双桥臂并联分流。IGBT并联须考虑均流性，否则并联运行中就会出现电流分配不均匀或过流保护，严重时会损坏IGBT元件。因此在设计和维修更换IGBT元件时须考虑并联均流要素。

图1 四象限模块主电路

变流器模块主要由IGBT功率元件、驱动板、检测板、脉冲分配板等保护监测单元组成。IGBT是电子开关元件，其开通和关断的频率相对较高。

举例说明四象限整流模块从无电流状态开始的工作过程。如图3、图4所示，如果在正半波时，S2或S3两个IGBT开关中的一个处于开通状态，变压器次边绕组处于短路状态，电流开始上升。此时，如果原来开通的IGBT关断，由于变压器的漏电感，电流不能被中断。电流通过IGBT开关S1或S4的续流二极管流入直流支撑回路并缓慢降低。利用这一原理，电流就可以围绕一个参考值上下波动且cosφ和直流支撑电压值能保持在要求的范围内。IGBT开关频率决定每个周期的脉冲数量，脉冲频率越高，电流值能越精确地追踪参考电流值。图3中LN输入电抗器（主变绕组制作中已考虑其电感量），在牵引工作状态下，主要起储能作用，形成正弦电流波形；在电制回馈状态下，主要起滤波作用，滤掉电流波形的高频成分。

图2 逆变流器模块主电路

图3 四象限整流原理图

图4 四象限电流/电压波形

2 原因分析

（1）IGBT故障诊断机理

变流器模块设置了过流保护和短路保护功能，如图5所示，以逆变器模块为例，正常工作时，脉冲分配板将传动控制单元（简称“DCU”）发出的触发信号经过死区处理、最小脉宽处理后转变为光信号发送给IGBT驱动电路，IGBT驱动电路将接受的光信号转变为适合IGBT驱动的电信号控制IGBT的通断，从而控制IGBT桥臂的工作状态。

图5 变流器模块保护原理图

一旦IGBT驱动板检测到IGBT元件出现过流或短路故障，迅速关断IGBT元件，同时将故障状态通过光纤反馈给脉冲分配板，脉冲分配板封锁其他元件的脉冲输出，同时将故障状态反馈给DCU进行保护，并通过显示屏提示对应“管故障”信息。

（2）故障原因分析

管故障的引发因素可以分为两种：一种是器件本身失效引发控制电路保护；一种是外部因素诱发控制电路保护。

第一类典型表现为：变流模块驱动装置检测到IGBT元件出现过流或短路故障，迅速关断IGBT元件。器件本身失效主要有单管变桥臂直通、模块桥臂直通故障两类，电路原理图与故障波形特征如图6、图7所示。

图6 单管变桥臂直通原理图及数据波形

图7 模块桥臂直通原理图及数据波形

第二类外部干扰，典型表现也可分为两种：一种是模块运行过程中的振动，对驱动组件及相关线束的连接可靠性构成一定的影响，导致模块上报相管故障；一种是网压波动造成IGBT模块损坏[3]。

针对线束断裂问题，如图8所示。2020年9月份在“贵阳-株洲”机车运用区段实际运行振动测试（测试点为驱动板的固定安装板）。通过驱动安装板振动数据采集整理，并与国标GB/T 21563要求进行对比，测试数据按国标要求为1时进行换算对比。实测数据如图9和下表所示，驱动板振动垂向最大，超出标准约2倍以上，对驱动组件线束的连接可靠性构成一定的影响。驱动板振动以51Hz、53Hz和74Hz、75Hz为主，主要来源为轮对传递振动引起的驱动板共振。

表 GB/T 21563 I类B级车体安装ASD频谱

图8 现场故障图片

图9 驱动板振动频谱

可见路谱振动已经超出机车设计出厂标准要求，造成机车零部件振动过大，长期运行在此类路段，导致器件疲劳损坏。

变流器模块驱动组件脉冲线安装采用螺纹端子压接方式，如图10所示。由于驱动板安装组件横向跨度较大，在运行过程中线束和电路板在振动过程中受到各个方向的力，对线芯造成各种剪切力和拉力。当此处长期反复剪切后，导致线芯疲劳断裂。

图10 脉冲线连接方式

据文献[3]分析，和谐机车在22.5~30kV网压下，机车最大输出功率为9600 kW。在19kV网压下，机车最大输出功率为8064kW。在网压低于17.5kV时，牵引功率线性降为0，但辅助功率仍然有效。机车功率特性如图11 所示，网压高于31kV时，牵引功率线性降为0。

图11 机车功率特性曲线

通过恒功率计算，可以得出，当网压为19kV时，网侧变流器四象限模块输入电流约为1548A。因此，整流器输入电流峰值设计值（正弦波峰值+ PWM 波动）为√2×1548×1.1=2410A。在13‰坡道地区取机车满功率的网压及电流信号，计算得出电流值为1540A。整流器输入电流峰值计算值为（正弦波峰值+PWM 波动）√2×1540×1.1=2410A。

考虑到机车实际运行过程中路况、变流器装置自身检测元件误差等综合因素，机车实际检测数值与理论计算数值会存在1%~3% 的误差变化范围，所以当网压降低到19 kV 以下时，网侧变流器四象限模块输入电流将达到3000A 以上，而IGBT能承受的最大电流限制为2430A。如果长时间在此期间频繁波动，将会造成IGBT 模块损坏。因此得出结论，网压波动较大是造成IGBT 模块破损的重要原因。

3 整改措施

1）针对上述问题，对变流器控制和保护策略应用软件进行了优化：①优化管故障自动复位、隔离功能，采取组合式诊断方法对故障进行分级，实现自动隔轴、隔架或隔车保护。减少或避免人工干预操作错误（或不妥），造成机车牵引力不足，引起机车故障事件扩大；减少机车停车处理时长，有效提高机车运用质量。②新增网压异常判断功能，由DCU检测机车原边电压（网压），如果相邻周期内的网压基波峰连续波动超过设定值，DCU标识网压波动有效，此时，DCU随着网压波动时长，线形控制机车减功率输出，减少网压波动所产生的大电流对IGBT的损伤。

2）针对IGBT本身失效的问题，厂家在新造和C6级及以上检修修程中，对出厂IGBT模块进行加严考核筛选，提前筛选出失效元件，同时在部分路段提高IGBT容量等级进行装车验证。

3）因路段振动条件暂时不能改变，针对驱动板脉冲线断裂问题，优化脉冲线安装工艺，在驱动板脉冲线进线端增加热缩式端子（如图12所示），对热缩管吹缩过程中会释放出一层胶状物质，将导线绝缘层牢牢包裹，形成新的绝缘层，从而有效防止空气直接与线芯接触氧化线芯，在振动传递时，振动应力通过该结构得到充分释放，有效避免线芯疲劳断裂。

图12 加装热缩式管状端子

4）针对网压波动问题，建议对接触网线路进行扩容改造。

3 结束语

自2020年以来，经与厂家深入讨论，针对以上问题通过现场实测、改造，结合修程对IGBT元件进行加严考核筛选等一系列措施后，有效遏制了变流器模块故障增加的趋势。尤其振动原因造成断线问题的解决方案，此项成果厂家已经成功运用到其他类型的产品，有效提高导线抗振动能力，但从长期来看，还要减小路段的振动，提升零部件运营的可靠性。统计近3年检修的机车运营数据，无上述类型问题造成的故障。