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HXD2型电力机车辅助变流器介绍和常见故障处理
摘要：本文针对HXD2大功率电力机车辅助变流器（简称辅变）原理、组成和辅助变流柜柜体布局进行了详细介绍，并分析了辅变故障机理和运行中常见的故障类别及处理方法。
关键词：HXD2辅助变流器原理和组成故障处理1引言
HXD2型电力机车是干线货运用八轴大功率交流电传动电力机车。由原中国北车集团大同电力机车有限责任公司与法国阿尔斯通交通运输股份有限公司联合开发。从2006年到2008年，分三个阶段总共交付180台机车，编号为HXD20001-HXD20180，全部配属原太原铁路局湖东机务段，运行于大秦铁路、同蒲线及宁可线，牵引重载货运列车[1]。
辅助变流器是交流传动电力机车必不可少的、重要组成部分，主要为机车辅助负载提供三相或单相交流电源，或为充电机提供供电电源。辅变故障的解决对机车能否正常运行至关重要。2辅助变流器
HXD2型电力机车共有A、B两节，每节机车包含1台辅助变流柜，是由两组辅助变流器、一组充电机电路和一组AC220V电路组成，其中辅助变流器一组为定频输出，另一组为变频输出。定频输出为泵类等不需要变频功能的负载供电，输出为380Vac(50Hz；变频输出为风机类需要变频功能的负载供电,三种输出方式380Vac(50Hz、304Vac(40Hz和190Vac(25Hz。2.1辅助变流器组成
两组变流器硬件电路和器件参数完全相同，主要由输入电路，中间电路和输出电路组成。
输入电路主要由输入熔断器（CC（ENT）CVS）、电压传感器（CA（U-ENT）CVS）、电压检测器（IT（DC）FI-CVS）、滤波电阻（R-FI（ENT）CVS、滤波电容（CAP-FI（ENT）CVS）、放电电阻R（DC）FI（ENT）CVS、电流传感器（CA（I-IT）CVS）、斩波模块（PAN-HC-CVS）和滤波电抗器（SF-FI（IT）CVS）等组成；中间电路主要由电压传感器（CA（U-IT）CVS）、电压检测器（IT（DC）FI-CVS）和过压保护模块（PAN-ECR-CVS）组成；输出电路主要由逆变模块（PAN-OND-CVS）、输出滤波电抗器（SF-FI-OND-CVS）、输出电流互感器（TFI-ONDR-CVS、TFI-ONDS-CVS、TFI-ONDT-CVS）、输出电压传感器（CA（U-380）CVS）、输出接触器和故障切换接触器组成[2]。
辅助变流器电路原理和组成示意图如下：
图1：HXD2机车辅助变流器原理和组成示意图2.2辅助变流器原理
来自主变流器中间直流电路DC1800V电压通过输入熔断器和RC吸收电路，送入斩波电路，通过高频斩波控制和滤波电路将DC1800V电压变换为稳定的DC545V中间直流电压，为三相逆变器和充电机供电。其中输入熔断器用于完成辅助电源电路的过流保护，RC吸收电路用于完成输入电压的浪涌抑制。在DC545V中间直流电路中还接有过压抑制电路，是由晶闸管功率元件、电抗器和相应的控制电路组成，通过斩波限压的原理，将能量消耗在电抗器上，从而抑制DC545V中间直流电路的过电压。三相逆变电路采用IGBT功率元件和PWM控制原理，
将DC545V中间电路电压逆变为三相交流电压，一组为变频变压输出（VVVF），一组为恒频恒压（CVCF）输出，再通过三相电抗器限制短路电流和抑制dv/dt值在规定的范围之内，为机车上的三相负载电路供电。
在CVCF逆变器的输出中，还接有AC380V/220V单相变压器，其二次输出和并联的电容器，共同组成AC220V的正弦波滤波器，输出标准波形的交流220V电压，为机车上的AC220V负载提供电源。
在接有CVCF逆变器的中间直流电路中，还接有充电机电路，其通过电容器组成的半桥电路和IGBT组成的半桥电路共同组成单相半控桥逆变电路，将DC545V的电压逆变为交流方波电源，开关频率为10kHz，通过高频变压器隔离变压，再经过全波整流电路和滤波电路输出DC110V电压(在20℃时，为机车上DC110V负载供电和为蓄电池充电。
辅助变流器具有完善的故障冗余功能，以确保在单台装置故障时，辅助系统能够正常工作。输入电源互为冗余，CVCF逆变器和VVVF逆变器互为冗余，2节单元机车中的充电机也互为冗余，当一节单元机车中的充电机故障时，另一节机车的充电机可以为整台机车的DC110V负载提供电源。
各负载电路具有完善的电气保护功能，能够实现过载、短路和接地等保护以及故障隔离。3辅助变流柜
从结构上来说，HXD2机车辅助系统中除辅助负载之外，其他主要装置和功能电路都被集成在辅助变流柜里。整个辅助变流柜采用模块化结构设计，每个辅助变流柜包括两个斩波模块，两个三相逆变模块，两个过压抑制模块，两个输出电抗器，一个充电机模块，一个二极管模块，两套冷却风机组，两套低压控制单元（ACU），一套电流电压检测保护装置，一套预加热装置。
辅助变流柜内部大致分为五个区，分别为模块区、低压控制区、控制单元区、检测保护区和风道区。
（1）模块区包括：一个充电机模块、一个二极管模块、两个斩波模块、两个逆变模块。
（2）低压控制区包括：9个接触器、5个过载继电器、17个断路器、两个电压传感器及端子排组装。
（3）控制单元区包括：两套完全相同的控制单元。
（4）检测保护区包括：6个电压传感器、4个电流传感器、380/220V变压器、2个熔断器、3个电容、2个输出电抗器及2个电压抑制器。（5）风道区包括：2个三相电抗器、2个冷却风机组。4故障机理及处理方法
辅助变流器严格按照主控MPU的指令调整自身的工作状态，还可实时检测自身运行逻辑，判断故障信息，并及时反馈给MPU，在机车显示屏显示。
当辅助变流器运行过程中出现故障时，ACU能够及时处理，进行脉冲封锁等保护措施，从而避免IGBT、电容、接触器等主电路结构受到损害。并且，当故障消失时ACU重启变流器，故障频率过高时能够隔离变流器。
两种情况会导致辅助变流器隔离：（1）接收到MPU隔离指令；（2）变流器永久故障隔离。变流器隔离后则停止工作，卸除负载。此时即便是满足启动条件也不再启动，只有当接收到隔离解除指令后才恢复至正常状态，允许启动[3]。一般辅助变流器或充电机故障采用电流、电压传感器信号判断故障状态。根据经验或电路类型，判断在一定时间内，发生几次电流或电压超限事件，或者在
一次故障发生时持续的时间长短作为判断依据，从而进行故障报警、或电气保护、或隔离处理。辅助电机或辅助电路故障通过空气断路器或过载继电器状态直接检测辅助电路短路或过载情况，进行故障报警。
根据故障发生的位置不同，辅变常见故障分为控制电路故障、输入电路故障、中间回路故障和输出电路故障[4]。4.1控制电路故障
当辅变控制单元ACU与MPU通信出现问题，会出现ACU故障、辅变流隔离和辅变流手动隔离故障。（1）ACU故障
MPU与ACU通信丢失,请检查MPU与ACU之间的MVB线缆连接以及ACU的供电情况。
（2）辅变流隔离
辅变流失效，请确认故障，并通过显示屏或复位按钮复位故障后手动取消隔离。
（3）辅变流手动隔离
辅变流失效，请确认故障，并通过显示屏手动取消隔离。4.2输入电路故障