動車組牽引系統與牽引模塊實訓裝置原理及故障分析研究

姚月明

摘 要：本文將圍繞動車組牽引系統及模擬實訓裝置進行 相關研究，介紹了動車組牽引系統基本結構及工作原理，并對實訓裝備進行研制，通過對牽引系統典型故障及牽引實訓裝置分析研究，為類似牽引故障提供指導。

關鍵詞：動車組 牽引控制單元 牽引故障分析 實訓裝備研制

1 牽引系統結構及工作原理

牽引系統是列車的最核心的技術之一，作為動車運動中樞及輸出動力的“心臟”，同時為輔助系統供電，牽引系統發生任何故障，都直接影響到到整個動車組的運行安全，牽引系統主電路系統以兩輛車為1個動力單元。依據動車組產品樹分析方法[1]將牽引系統產品結構層次劃分為系統、分系統、裝置、部件4種級別進行產品樹構建，只有各牽引單元均處于正常工作時系統才屬于正常狀態[2]。

受流裝置受電后，電路通過VCB控制主變壓器原邊繞組，變壓器繞組把交流電降低輸送給變流器。

在M2車、M1車上設完全相同的整流及逆變器，在牽引模式能向電機提供電力。動車組再生制動時，使機械能在牽引系統作用下輸出電能，送至接觸網。牽引傳動由多個獨立牽引設備組成，通過牽引設備實現交-直-交傳動方式。牽引使能回路自鎖建立后，通過列車控制和管理系統（Train Control And Management System，TCMS）輸出牽引指令給TCU，使其輸出牽引行車[3]。在牽引系統主電路中，變流器設為兩電平及兩重四象限形式，變流器故障的因素主要有牽引控制單元 TCU 冷卻單元、四象限整流器等，而次要因素有中間電路、預充電電路和其他故障[4]，可通過設備控制界面牽引變流器確認工作狀態[5]。

2 牽引變流器原理及故障分析

2.1 產品結構及控制方法

整流模塊：牽引變壓器輸出的交流電輸入整流器。整流器由變頻器、IGBT、交流接觸器構成。通過無接點控制裝置可將交流電轉為直流電，同時設置電流互感器以檢測電流。再生制動時變流器輸出交流電，并通過變壓器提供交流電，交流接觸器控制牽引主電路。中間直流模塊：無接點控制裝置輸出的直流電無法滿足供電需求，存在高次諧波，會影響逆變模塊的電壓效果，因此需要在逆變之前將電壓進行濾波，降低逆變時電壓波動，為滿足儲能要求，同時設置電容器。逆變模塊：逆變模塊采用車控方式[6]，濾波電容器電壓通過IGBT控制指令轉為三相交流電壓實現電機牽引功能，在逆變器輸出交流電路上，車底位置安裝電流互感器，檢測電流異常情況。再生制動時，逆變模塊將轉向架上的電機交流電轉為變流器的直流電，輸入給中間直流環節濾波電容器。

每個動力車包含1臺牽引變流器，安裝在車下的牽引設備箱中，可供本車 4 臺牽引電機正常運行，并可實現牽引電機的變頻調速。此外，牽引變流器通過中間直流環節為輔助變流器提供電源[7]。牽引變流器采用電壓型3點式電路，由脈沖整流器、中間直流電路、逆變器構成，整體采用模塊化設計形式[8]。牽引變流器功率單元集中布置，脈沖整流器模塊、逆變模塊，接觸器、繼電器和IGBT等控制單元集中布置。

2.2 牽引變流器故障分析

故障描述：動車組報四象限二元件總故障，四象限二D相上管故障、四象限二輸入過流。

失效分析：從故障數據分析，四象限二整流模塊工作在整流狀態，輸入電流100A左右，中間電壓1800V；故障發生時刻，四象限二輸入電流急劇上升，超過1900A，中間電壓輕微波動，報輸入過流故障，DCU脈沖封鎖；幾個周期后主斷跳開。故障發生時刻，四象限二輸入電流恒為正，結合報D相上管故障這一現象，可基本判定D相上管IGBT已擊穿短路。

對D相上管IGBT、驅動板、檢測板進行測試，結果顯示IGBT的C、E極，G、E極之間均已擊穿短路，檢測板二極管擊穿短路；對返回的驅動板測試，結果顯示驅動板電阻R53、R54燒損，該路驅動正是對應D相上管。將IGBT拆解至芯片層進行顯微分析，發現IGBT芯片綁定線鍵合處大部分燒損，局部有過壓、過熱的痕跡，與測試結果相符。從驅動板和檢測板測試來看，損壞的器件為R53、R54、VD1、VD2和VD3。因此，分析認為該故障過程為首先檢測板二極管擊穿短路，導致高壓引入驅動板，使得電阻R53、R54燒損，驅動板故障進一步導致U相下管誤開通，直至擊穿短路，最終造成變流器故障。從故障波形及測試結果分析。經分析故障時刻電流，通過A相和B相上管二極管、D相上管IGBT構成短路回路。

后續優化：本次故障在電壓、電流等條件正常情況下，四象限二模塊D相上管IGBT上的檢測板二極管首先失效擊穿，導致對應驅動板損壞，使得D相上管IGBT誤開通并且無法關斷（最終擊穿），最終造成整流模塊D相C/E極之間阻值異常，后續需更換整流模塊。

3 牽引系統模擬實訓裝置研制

動車組系統較為復雜，其電氣控制也分布于各個車廂，為提高故障分析效率，牽引模擬實訓裝置將各部分功能及邏輯分解到相應單元，最大程度上模擬動車組的實際功能，讓工作人員真實地了解實車測試過程及工作原理。根據實車功能及邏輯設計牽引系統，主要設計牽引系統的電氣原理、網絡控制、運行指令、復位指令、牽引制動指令、警惕環路、牽引控制單元、安全環路，通過plc、變頻器建立模擬、數字電路邏輯且能人機交互，通過牽引實訓裝置熟悉實車控制，增加培訓及研究可操作性。

3.1 電路設計

牽引系統控制動車動力輸出，驅動電機，實現動車穩定運行的重要控制系統，通過編碼器及控制指令，向動車牽引控制單元輸出牽引控制指令。模擬信號通過24701、24702輸出給PCU模塊，再經過17710、17709輸出給控制電路，PCU的數字量輸入通過運行指令、牽引制動指令、警惕環路、和安全環路，接通變頻器的命令源及頻率源，實現調速、電制動等功能。

3.2 軟件設計

本裝置采用軟件TIA Portal進行程序編寫，采用監視與控制通用系統（Monitor and Control Generated System，MCGS）進行人機界面設計。PLC程序控制牽引系統，在總線上設計一個主站及3個從站，從站EM277模塊通過分散型外圍設備（Decentralized Periphery，DP）總線協議與主站進行通訊，主站通過以太網將信號傳輸給上位機，3個從站分別控制各個牽引控制單元，相互獨立。A01模塊給出指令后，模擬信號通過24701、24702輸出給PCU模塊，再經過17710、17709輸出給控制電路，USS通訊指令通過3、8點位接入29、30點位，復位、牽引等指令通過A01模塊，輸出給牽引控制指令輸入，控制變頻器。TCMS信號獲得允許指令，檢測外接信號正常，并供電正常。牽引模塊PLC流程圖，如圖6所示。

4 結語

本文對動車組牽引系統基本構成及工作原理進行詳細的分析并對實訓裝備進行研制，同時，對動車組運行中牽引系統典型故障進行排查和分析處理，可為后續類似故障處理提供指導。由于牽引系統故障的原因較多，涉及牽引系統各個硬件及軟件，后續通過對實訓裝備及牽引系統故障進行總結、分析研究，能夠時刻讓牽引系統保持良好的狀態，從而確保動車組的可靠性、穩定性。

江蘇聯合職業技術學院重點項目：先進軌道交通裝備產教融合集成平臺 建設研究與實踐（A/2022/11/003）。

中國中車股份有限公司科技研究開發計劃重大項目：交互式數字化實訓教學平臺技術研究（科技部2023CKA445）。

參考文獻：

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[2]董超躍.基于動態貝葉斯網絡的動車組牽引傳動系統可靠性分析[D].北京：北京交通大學，2020.

[3]田松付.關于CR400AF 型動車組全列車牽引無流的研究[J].鐵道機車車輛，2020，40（S1）：19-24．

[4]趙振申.CRH380B 型動車組牽引系統故障分析研究[D].北京：中國鐵道科學研究院，2020.

[5]王丹.動車組牽引變流器故障分析及其診斷方法研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2020．

[6] 鄒檔兵.CRH系列動車組牽引變流器主電路分析[J]．鐵道機車車輛，2017，37（2）：43-44.

[7]鄭文平.復興號動車組牽引變流器故障分析[J].軌道交通裝備與技術，2019，0（5）：42-45.

[8]金沖，李尚宇，劉利國.中國標準動車組牽引丟失常見故障分析[C].第十五屆中國智能交通年會科技論文集（2），2020：367-374．