动车组牵引变流器的故障及改进方法

摘 要

动车组牵引变流器作为牵引传动系统的关键部件，其性能质量直接关系到动率缎的安全正点运行。在动车组运用检修时。必须对牵引变流器发生的故障进行全面的故障分析，记录故障现象，找到排除方法，深入分析原因，制订预防措施，从而减少动车组牵引变流器故障率，提高故障判断处理效率，最终达到提高动车组运用质量的目的。

关键词：动车组；牵引变流器；故障分析；运用质量

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目录

摘要 ....................................................................................................I 第2章动车组概况 ............................................................................... 3

2.1动车组的发展 ......................................................................... 3 2.2动车组故障分析 ...................................................................... 4 2.3故障分析目的 ......................................................................... 4 2.4故障分析程序 ......................................................................... 5 第3章牵引变流器的故障分析............................................................... 8

3.1牵引变流器的概述 ................................................................... 8 3.2牵引变流器动作及控制原理 ................................................... 10 3.2.1牵引变流器的结构和功能 ................................................... 11 3.3 牵引变流器的故障 ................................................................ 11 3.3.1故障分析 ........................................................................... 11 3.3.2牵引变流器的故障分类及其紧急处理 ................................... 17 第4章变流器故障的改进方法............................................................. 20

4.1典型故障 .............................................................................. 20 4.2牵引变流器故障调查处理流程 ................................................ 20 第5章致谢 ....................................................................................... 22 参考文献: ......................................................................................... 23

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第1章 绪论

说到动车组，我想大部分人都已经不再陌生了，最近热议纷纷的武广高铁再次充分的调动了民众对其的兴趣，动车组，中国铁路现在最流行的词语，在2007年中国铁路第六次大提速广泛运用于中国各铁路干线。和普通火车机车相比，动车组具有双向运行能力。是城际和市郊铁路实现小编组、大密度的高效运输工具，以其编组灵活、方便、快捷、安全，可靠、舒适为特点备受世界各国铁路运输和城市轨道交通运输的青睐。

动力分散电动车组的优点是,动力装置分布在列车不同的位置上,能够实现较大的牵引力,编组灵活。由于采用动力制动的轮对多,制动效率高,且调速性能好,制动减速度大,适合用于限速区段较多的线路。另外,列车中一节动车的牵引动力发生故障对全列车的牵引指标影响不大。动力分散的电动车组的缺点是:牵引力设备的数量多,总重量大。动力集中的电动车组也有其优点,动力装置集中安装在2～3节车上,检查维修比较方便,电气设备的总重量小于动力分散的电动车组。动力集中布置的缺点是动车的轴重较大,对线路不利。

动车的技术发展主要表现在功率、速度和舒适性的提高、单位功率重量的降低以及电子技术的应用等方面。动车组今后还将不断发展，特别是世界各国正在发展市郊铁路与地下铁道过轨互通，构成城市高速铁路网，动车组在其中将会起到主力军的作用。

动车发明了，单节车厢会动了。由动车编成的动车列车和与无动力车厢混编的列车也有了。编组灵活，加速能力强，有些动车、动车列车或混编列车甚至两头都有司机室，不用专门的调车作业就能往返运行。

早期的动车各节自成体系，不能相互操作，列车中每节动车都要有人操作。然而通勤线路九曲十八弯，通勤列车又走走停停，即使是经验丰富的老司机之间的配合也难免会出差错，一旦前车猛然减速而后车刚好加速，又寸到弯道上。

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频繁的脱轨事故使得动车列车编组只能很小，这大大扼杀了动车编组灵活的优势。好在车到山前自有路，一项来自新型电力机车的技术──重联──砸碎了动车发展的枷锁。重联，指用特定手段将兼容机车的联系在一起，由一个司机室操纵。最常见的手段是用一组重联电缆连接多台同系列机车的操控系统或动力系统。动车由电力机车发展而来，产生于电力机车的重联技术也很快用于动车列车。从此，动车列车与无动力车厢混编的列车可以由一个司机全面操控了。从此，动车组诞生了。 2

第2章 动车组概况

2.1动车组的发展

德国是最早制造和运用动车的国家，制造技术一直领先。1903年7月8日，首先运行了由钢轨供电的动车组1，由4节动车和2节拖车编成。同年8月14日，又运行了由接触网供电的动车组，这是世界上第一列由接触网供电的单相交流电动车组。同年10月28日，西门子公司制造的三相交流电动车进行了高速试验，首创时速210.2公里的历史性记录。常见的动车组有日本新干线，德国ICE，法国TGV，欧洲之星，瑞典X2000，美国ACELA，中国的蓝箭，中原之星，中华之星，新曙光，香港KTT?? 从1998年我国第一列商用动车组在南昌铁路局运营以来，目前已有几十列动车组奔驰在全国万里铁道线上，成为铁路运输一道亮丽的风景。正如一位铁路资深老专家所说，动车组的运营，不仅为我国中短途客运增加了一种新型的铁路交通工具，更重要的是它为铁路运输带来了新的活力。动车组虽然在我国真正投入商业运营的时间并不长，但其良好的发展前景已被国内外普遍看好。国外经验表明，除了中长途运输外，在中短途运输、大城市近郊、大城市与卫星城市之间，铁路客运的作用仍然不可忽视。随着我国城市化进程的持续发展和城市化水平的不断提高，城市的数量不仅要增加，城市的规模也在不断扩大，未来城际间的客运市场潜力巨大。在城市交通体系中，轨道交通以其用地省、运能大、速度快、节约能源、减少污染、运行经济、安全性好等优点，越来越受到人们的重视。 据专家预测，未来的城市轨道运输由“地铁+轻轨+市郊动车组”的模式组成，构成一个由内向外、层层分流的立体交通网络。即在市区采用地铁运输，人口相对较少的地区采用轻轨，在城市周围和市郊采用动车组。这种组合的优点是：地铁运量大，可将密集地区的人流迅速分散出去；轻轨车运行时间机动，可灵活应对不确定的客流；市郊出行距离加大。

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牵引变流器、8台牵引电机及其相关设备构成。采用车控方式，即每台牵引变流器给1辆动车的4台牵引电机供电。见图1。

图1 动力单元主电路图

CRH:型动车组主变流器（CI）由单相3点式脉冲整流器、中间直流环节、3点式逆变器、真空交流接触器K等主电路设备以及牵引控制装置、控制电源等控制设备组成。上述设备安装在CI箱体内。CI的电气原理图见图2

图2 CRH2动车组CI电气原理图

(1)脉冲整流器部分:牵引变压器牵引绕组输出的1500 V ,50 Hz交流电输入脉冲整流器。脉冲整流器由单相3点式PWM变频器、交流接触器K组成，采用无接点控制装置(IGBT元件)，从而实现了输出直流电压2600 ~ 3000 V定压

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控制、牵引变压器原边电压、电流、功率因数的控制，以及无接点控制装置保护。再生制动时，脉冲整流器接收滤波电容器输出的直流3000 V电压，向牵引变压器供应1500 V,50 Hz交流电。另外，主电路的输入通过交流接触器K实施。

(2)逆变器部分:输入为滤波电容器电压，逆变器根据无接点控制装置(IGB7，元件)控制信号，输出变频变压的三相交流电，对4台并联的牵引电机进行转速、扭矩控制。在再生制动时，逆变器工作在整流状态，将牵引电机发出的3相交流电进行整流，向滤

波电容器输出直流电压。由于采用了3点式拓扑结构，减小了输出电压和电流的波动，从而有利于降低损耗，提高电机和系统效率，减少转矩脉动。 （3）脉冲整流器的主要技术参数:

输入： 1285 kVA(单相交流1500 V,857 A,50 Hz)； 输出： 1296 kW(直流3000 V, 432 A）；

功率因数：97%以上(在额定负载条件下，除辅助电路和控制电路外)； 载波频率： 1250 Hzo； (4)逆变器的主要参数:

输入： 1296 kW(直流3000 V,432 A )；

输出：1475 kVA(三相交流2300 V, 424A，0一220 Hz)； 效率： 97. 5%以上(牵引电机额定条件下)；

功率因数：97%以上(在额定载荷条件下，除辅助电路和控制电路外)； 载波频率： 1000 Hzo；

效率： 97.5%以上(牵引电机额定条件下)；

3.2牵引变流器动作及控制原理

电源由受电弓将单相交流25 kV ,50 H，的线电压，通过真空断路器VCB与牵引变压器的一次侧绕组相连接。

主电路由VCB实施开闭。在牵引变压器二次侧的2个牵引绕组，分别在一次侧绕组的励磁作用下感应出1500 V(一次侧为25 kV时)的电压，并输入牵引变流器的整流器部分。

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各动车搭载1台牵引变流器，在牵引运行时向牵引电机提供电力，制动时进行再生制动控制，此外还具有保护功能。另外，以来自车辆信息控制装置的信息为基础，进行全列各车整流器间载波的相位差运行，以此来降低接触网电流的高次谐波。牵引电机使用三相鼠笼式感应电机，轴端设有速度传感器，用于向检测牵引变流器、制动控制装置发送转速信号。见图3。

图3 牵引电流系统构成

3.2.1牵引变流器的结构和功能

牵引变流器由单相交流变为直流的整流器部分、直流电流变为三相交流的逆变器部分和吸收电压波动获得直流定压的直流电压电路(滤波电容黝部分构成。由于整流器、逆变器部分均采用三电平控制，可进行精密的电压控制。作为主电路的半导体元器件由于采用了能高速开闭的IGBT或IPW，以减小交流电压波形的失真，并由此降低牵引电机、牵引变压器的电磁噪声，从而减少了转矩波动。牵引变流器控制分为整流器部分、逆变器部分和直流电压电路(滤波电容器)部分。

3.3 牵引变流器的故障 3.3.1故障分析

由于牵引变流器具有故障诊断功能，从而为我们故障处理带来较大方便，故障诊断信息获得有3种方式:从M()N装置显示屏中的记录里获取;通过控制单

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元的I,ED显示获取;使用PC机通过串口连接到控制单元的连接插头，下载故障数据获取。

故障信息分为3个等级，1级故障，不可以自动复位(需断开全车所有电源进行大复位)，属于系统重故障，途中要切除故障车，回库后下载故障记录和CI故障信息分析，对故障需进行处理;2级故障，不可以自动复位(需操作司机台上复位按钮)，属于系统轻微故障，如果复位后正常，无需切除故障车，列车回库后下载故障记录，并跟踪观察列车后续运行情况，如复位后一天多次重复出现同样故障，则需切除故障车，回库后下载故障记录和CI故障信息分析，对故障进行处理，跟踪观察;3级故障，可以自动复位(无需操作司机台上复位按钮)，属于系统正常保护功能，无需特别处理，途中跟踪，回库后检修人员关注。

CRH2型系列动车组牵引变流器自2007年在高铁正式投入运用以来，设备使用稳定正常、能有效保证运用安全，但同时也暴露出较多故障，图4统计了近几年武汉局发生的CRH型系列动车组牵引变流器主要故障。

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图4 CRH2型系列动车组牵引变流器介绍及故障分析

从以上统计的15起主要故障来看，故障集中表现在004,005,141,040,134,023等故障代码上，其中运用保养及使用不当6起，产品本身质量问题4起，负载设备不良引起故障2起，控制软件故障1起，网压故

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障2起，发生这些故障不仅有设备本身质量原因、也有操作使用不当原因，还有日常保养缺失等原因。

下面就其中3起较典型故障举例分析如下:

1、CRHz064C列动车组运行中CI报“004”故障CRHz 0640运行中全列动车报出牵引变流器(CI)“004”故障代码。“004”代码代表的故障经常是一些偶发性的因素引起的一种保护性动作，甚至只是一种非常规运行状态的表示，并不表明设备真有缺陷或损坏。当报出“004”代码时，如果系统可以正常复位，且复位后可以正常工作，就不会对车辆的运行造成不良影响。

报出“004”代码时的具体故障大都可从故障记录表中查到，通过下载3车的牵引变流器故障数据来看，该车“004”代码是由于牵引变流器“MFD”问题引起(4,6车下载数据也有相同情况)见图5、图6

图5 CRHZ064C列3车报电机电流反馈记录情况

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图6 CRHz064C列3车报MFI)故障记录情况

“MFD”的具体含义为牵引不动作，如果一段时间内牵引变流器输出电流过小，则程序相应的认为牵引力也过小，牵引变流器就会因“MFD”，报出“004”代码。在运行过程中，如果在较高速度情况下使用较低档位，牵引电流将很小，这时有可能出现由于牵引变流器“MFD”而报出“004”代码的问题。但此时并非牵引系统真的有故障，而是一种非常规运行状态的表示，更不会对行车安全造成影响。

通过以下方法可避免牵引变流器因“MFD”发生而报出“004”代码的问题: (1)当满档牵引至高速后，在不影响正常运行的情况下，使用较高牵引档位来进行减速，由于此时变流器输出电流相对较高，将使“MFD”发生的电流条件不成立，本方法将使减速过程变长。

(2)当满档牵引至高速后，在不影响正常运行的情况下，直接使用惰行或制动来进行减速，使“MFD”发生的工况条件不成立，本方法将使减速过程变短。

(3)可多使用恒速驾驶模式。

2、CRHz060A、06车发生牵引变流器冷却器温度高故障

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CRH2 052A、060A车发生牵引变流器冷却器温度高故障，代码040，进行RS复位后故障未消除。切除06车动力，维持运行。对CRH2 060A车进行了全面检查，检查6车牵引变流器进风口滤网状态，见明显杂物。

从动车组回库检查的结果分析，运行途中线路环境恶劣造成06车变流器冷却风机进风口吸入柳絮和其他杂物造成散热通道滤网堵塞，散热不良导致温度上升。

处理措施:

(1)对该变流器进风口滤网进行更换操作，同时进行吹灰除尘工作。 (2)加强乘务员对此类故障的应急处理措施的学习。 (3)加强库内滤网清扫工作。

3、CRH380A-6031列车运行时4车报004故障

CRH380A-60311二运行中4车变流器报004故障，RS复位无效，将4车切除后继续运行。

动车组入库后检查M()N故障记录，及检查DC'.U模块没有明显异常，初步判断牵引变流器正常继续使用。但随后继续运行，4车持续报004故障，故障问题可能因牵引电机原因造成。

入库后，继续检查，通过起动试验，将4车开关切断，逐一切除4车每一轴电机(拔除电机电源插头)，当排查到切除4车3轴牵引电机后起动试验正常，判断确定为4车3轴牵引电机故障。经测量4车3轴牵引电机定子绕组对壳绝缘低于规定值3 Mf，电机定子存在质量问题。需更换牵引电机。

处理措施:对4车3轴牵引电机进行更换，更换了一台新电机，更换后，故障消除，运行正常。

CRH2型动车组牵引变流器结构复杂，技术含量高，而且因运用时间不很长，存在各方面经验不足问题，为此有待我们通过结构上暴露出的问题不断优化设计(如扩大故障诊断功能、增强散热效果、提高单位功率等)，以及通过检修运用实践尽快摸索出一套行之有效的维修保养体系，消除检修作业盲点，并努力提高随车机械师应急处理能力和司机正确操作能力，防止故障发生或延伸，为此使牵引变流器质量更可靠、运行更安全。

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3.3.2牵引变流器的故障分类及其紧急处理

故障显示、声音报警，并会断开交流接触器K，发生严重故障时会有故障显示、声音报警、断开交流接触器K以及主断路器VCB。与牵引变流器相关的故障见图7。

图7 牵引变流器主要故障及其保护措施

根据汉口动车所故障统计分析，牵引变流器故障的原因主要有两个:程序出现紊乱或器件故障。对于程序出现紊乱而引起牵引变流器故障报警的，动车随车机械师或司机一般通过以下步骤予以解决:

1、按下操纵台复位RS按钮2 ~3次，进行系统小复位。观察牵引变流器故障提示画面，确认牵引变流器故障是否恢复正常。

2、若还没有恢复，随车机械师进行第2步操作，在故障车运行配电盘先断开牵引变流器CICZs11断路器，2~3s后重新投入，再次确认牵引变流器故障是否恢复正常。

3、若随车机械师采用了上述两个步骤后还没有解决问题，在运行途中则只有切除相应的动力单元维持运行，等动车到达下一车站后可以进行第3步操

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作，在日常运行中通常称为大复位，就是断电降弓后再重新升弓投入主控制器。

4、若故障还不能恢复则只有切除相应的动力单元或牵引变流器维持运行，等到回动车所检修。

若动车牵引变流器方面的故障不能在运行途中解决，一般都是牵引变流器本身的器件或由于本身器件导致其他器件的故障引起的，那么在动车进库后可采用以下方法读出故障代码，一是通过IC卡下载车载信息系统的动车运行故障信息，输入地面微机进行读取;二是直接在车内监控屏打开牵引变流器信息画面，读取故障详情;三是直接通过CI内LED故障显示代码，查询详细的故障记录。根据故障代码可查出引起这类故障的原因，比如器件异常、脉冲发生器异常、充电不良、门极电源异常等，再进行相应的处理。

下面是两次与CRH:型动车组牵引变流器相关的故障，一次是牵引变流器本身的故障，另一次是由于牵引变流器的故障导致其他器件的损坏。

一列CRH:型动车组在武合线上运行，显示屏上突然显示7车牵引变流器故障，经复位等操作不能恢复，只能切除该动力单元运行回所。回所后经检查发现，7车牵引变流器逆变器部分，U相的IGB7，用万用表测量后发现该部分IGB7，的1, 2点之间反向电阻为5正常情况下应为无穷大，所以认定该IGB7，烧损。因为单纯更换IGBT安装工艺无法达到，只能更换整个逆变器U相模块。至于烧损原因，分析后结论是网压突然增大，导致IGB7烧损。图3是牵引变流器的逆变器IGBT的5个测量触点。

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图8 牵引变流器的逆变器fGBT的5个测量触点

另一次是一重联CRH型动车组在武合线上运行，显示屏上突然显示一动力单元的两个牵引变流器故障，导致该单元VCB断开，并且不能恢复，只能切除该单元的两个牵引变流器限速运行回所。回所后经检查发现，高压机器箱内的避雷器烧爆，导致短路，VCB不能闭合，必须切除该单元的两个牵引变流器维持运行。更换避雷器后动车组恢复正常。后来根据生产厂家在线试验分析，得出结论引起故障的原因是重联动车上的8个牵引变流器在某一频率上的谐波电压与网压形成共振导致网压不断增大，最终超过避雷器的耐受电压而击穿。

汉口动车所自建立以来，通过检修技术人员和随车机械师的不断努力，基本掌握了CRH型动车组牵引变流器常见故障的处理，但是还应该看到动车组牵引变流器检修还处于起步阶段，牵引变流器检修技术还有待进一步提高，从而提高动车组牵引变流器的可修复性，最终提高动车组的利用率。

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第4章 变流器故障的改进方法

4.1典型故障

通过对2010年1月1日一11月30日武广客专运用动车组牵引变流器典型故障统计，可将故障大致归纳为以下几类。

(1)牵引变流器141， 005和012故障。发生次数最多的为牵引变流器141和005故障，占牵引变流器故障的70%。经回库下载故障数据分析，141牵引变流器故障、005牵引变流器故障CIF是由其他故障附带引起。012故障为主变压器二次侧过电流，随车机械师途中遇到此类故障时，可以先尝试对故障车进行切除，过一段时间后进行切除复位操作，若故障仍未消除，需待动车组终到后进行大复位操作，故障方可消除。目前，四方厂计划对牵引变流器控制软件进行升级来解决此类故障。

(2)因牵引变流器AVR6板损坏引起的004故障共3次，分别为下载数据障共3次，分别为下载数据显示牵引变流器CPLV（022） 和牵引变流器VDLV2（023）。

(3)因W相逆变模块、CI整流模块、CI速度传感器等引起的牵引变流器故障共5次。

(4)牵引变流器通风风机停止工作引起的牵引变流器故障共计3次。

4.2牵引变流器故障调查处理流程

根据《CRH系列动车组途中应急故障处理手册》中牵引变流器故障处理流程及方法，结合实际运用，明确规定武汉铁路局武汉动车段对途中CRH2C动车组发现牵引变流器故障及回库检查处理的处理流程，有效提高了动车组牵引变流器故障判断处理效率，从而避免因牵引力降低给动车组运行带来的影响。

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在动车组运行途中，牵引变流器发生故障后，随车机械师首先通过MON屏确认故障代码，按照《CRH系列动车组途中应急故障处理手册》步骤进行途中应急处理。待动车组入库后，组织技术人员进行故障查找、判断，确认故障原因，及时进行处理，保证上线运行动车组质量品质。结合目前运用情况，总结牵引变流器故障调查处理流程如图9所示。

图9 牵引变流器故障调查处理流程

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第5章 致谢

在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。 在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。 感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。

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参考文献:

[1]铁道科学研究院.时速250公里动车组综合试验总报告[R].北京:铁道科学研究院，2007.

[2]张崇巍，张兴.牵引整流器及其控制.北京:机械工业出版社，2003. [3]熊健，张凯，陈坚.牵引整流器的控制器工程化设计方法.电工电能新技术，2002, 21

[4]南车四方机车车辆股份有限公司.时速200公里动车组总体技术规划书}z1 .2005.

[5]西南交通大学.时速200公里动车组车辆动力学计算报告[R].成都:西南交通大学，2006.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4htd.html