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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
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。
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。
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。
2.2动车组故障分析
随着高速铁路的发展，高速列车的速度越来越快，结构和功能也越来越复杂，运用的环境更加恶劣。
但是我们往往在重视提高其速度的同时忽略了系统的可靠性问题，所以动车组运行以来故障频发甚至造成了人员伤亡的重大事故。
因此，为了提高动车组关键设备的寿命和可靠性，降低维修费用，减少事故发生，有必要对其进行系统的可靠性分析。
FMECA（FailureMode,E1TectsandCriticalityAnalysis）是一种工程上常用的可靠性分析方法「川，本文就是采用了这种方法对CRH3C高速列车的故障数据进行了分析探讨，进而指出系统的薄弱环节和关键项目。
并以此为依据，提出改进措施和建议。
故障问题是可靠性工程的核心问题之一，故障分析是可靠性工程的技术基础。
故障问题贯穿于产品的整个寿命周期中，在产品投入使用后，对故障产品进行故障分析也是可靠性工程中极其重要的一环。
这不仅因为故障分析可以对可靠性工程的整个过程有效的做出实际的检验和评定，而且，最重要的是需要故障分析提供使用现场的许多真实信息与数据，作为可靠性设计和可靠性试验以及评审的依据。
2.3故障分析目的
所谓故障分析就是对产品的常见故障进行分析，鉴别其故障模式、故障机理、故障的影响及其后果。
故障分析的最终目的有三个:
1.根据产品的故障现象，追寻其故障原因，以便于排除故障，改进设计;
2.分析产品的失效规律，预测产品的寿命和可靠度，以便采取措施预防故障的发生，提高产品的可靠性和有效利用率;
3.通过故障分析，找出关键故障模式，确定各种故障的危害程度，从而合理的制定维修计划，采用适宜的维修方式。
高速列车故障的可靠性分析就是根据故障模式、故障机理、故障的影响及其后果的严重程度，分析动车组各个关键零部件的失效规律，预泌关键零部件的寿命分布模型和可靠性指标，从而采取有效措施，提高高速列车的可靠度。
并通过危害度以分析，确定动车组关键零部件的维修方式。
2.4故障分析程序
对产品进行故障分析通常按如下程序进行:
1.现象调查，掌握原始资料及数据在产品寿命周期的各个阶段有不同形式的FMEA，在使用阶段我们把他叫做统计FMECA，即分析研究产品使用过程中实际发生的故障、原因及其影响。
本论文主要研究京津城际列车在运营过程中以及一级检修过程中所发现的故障问题。
CRH3C型动车组自京津城际投入运营以来，运行情况总体较好，但由于我国缺少对该车型动车组的运用检修管理经验，前期发生的几起故障，应急处理不当，对京津城际高铁的运输带来一定影响。
本论文将对配属北京动车段的20列CRH3C，CRH3001C，CRH3016C,CRH3018C，CRH3021C动车组的常见故障及其产生的原因做简要分析，提出应急处理办法，对更好地管好用好京津城际列车具有一定的指导性。
由于在动车段收集到的这些原始数据来源复杂、故障类别繁多，信息丢失等原因，需要对原始数据进行预处理，我们选取信息量大且累积走行公里数相近的列车作为研究对象。
2.故障模式鉴别
对于一个产品进行可靠性分析，首先要明确故障（失效）的定义，不同的故障（失效）定义将会得到不同的可靠性指标量值，因而导致可靠性评定结果也不一样。
在GB3187中，失效（故障）的定义为:
“产品丧失规定的功能。
对可修复产品通常也称故障。
”而故障模式是故障的表现形式，如受电弓支架断裂，制动闸片过度磨耗，动车牵引丢失等等。
一般在研究产品的故障时往往是从产品的故障现象入手，进而通过现象（即故障模式）找出故障原因。
故障模式是FMECA分析的基础，同时也是进行其他故障分析的基础之一。
机车车辆常见故障模式有工作状态不正常或作用不良、指标超差、物理损伤（磨损、表面损伤、腐蚀、变形、尺寸超差、裂纹、断裂、损坏、加工及材料缺陷、电损伤）、堵、漏、脏、潮、缺等等。
3.故障原因分析
根据动车段故障一记录中对故障的描述，以及通过调研，找出引起该故障模式的主要原因。
如动车组牵引丢失，其原因有很多，可能是零部件损坏，也可能是软件故障或者通讯故障，不同的故障原因对系统产生的危害程度不一样的，所以采取的维修方式也不一样。
4.故障影响分析
系统中各产品的故障模式产生的最终影响往往是不同的，为了划分不同故障模式产生的影响的严重程度，在进行故障影响分析之前，一般需要对影响的后果等级进行定义，从而对系统中各故障模式按其严重程度进行分级。
依照我国有关事故分级标准，一般可将事故分为4个级别。
由于京津城际对运营安全性和正点到达性要求很高，所以这里将判别标准提高，也分为4个级别（见表2-1）o
级别
名称
说明
I.
严重事故
部分路段15min以上停运/列车救援/设备重大损坏/有人员死亡
II.
重大事故
单列或多列车5}-15min晚点/有清客发生/设各损坏或故障造成立即检修/有人员重伤
III.
一般事故
单列或多列车2}-5min晚点/设备轻微损坏或设备故障但可控制运行/列车终点回库检修/有人nri轻伤
IV.
轻微事故
单列或多列车2min内晚点/设备故障，但不影响当日止常运营，运营结束后非计划性维修/有人员轻微受伤
表2-1京津城际事故严重等级划分（A1）}5
5.风险分析
风险分析的目的是按每一故障模式的严重程度及该故障模式发生的概率所产生的综合影响来对其分类，以便全面的评价各故障模式的影响。
CA可以分为定性分析法和定量分析法两种。
如果不具有产品故障率数据，则应选择定性分析法;反之，若具有可利用的产品故障数据时，则应以定量分析法来计算和分析危害度数值，通常借助图形工具来辅助分析。
6.提出预防性措施
在确定出故障机理和原因以后，应针对性的提出消除产生故障诸因素的措施和建议，即应该采取哪种维修方式来消除故障。
对于磨耗件应该提出相应措施尽量提高其耐磨性和使用寿命。
第3章牵引变流器的故障分析
3.1牵引变流器的概述
牵引变流器主要用于控制4台牵引电机的电源。
武广客运专线的CRH2C型动车组有6台牵引变流器，分别安装在2，3，4，5，6和7号车的底盘下。
CRH2C型动车组牵引变流器的主要构成为功率单元、过压抑制可控硅单元、充电单元、真空交流接触器、电阻单元、交流电压传感器、交流电流传感器、无触点控制装置（变流器控制单元、控制电源单元和电动送风机等。
其中，功率单元包括主开关元件IGBT或者IPM（因形式不同其使用的元件与数量亦不同）和滤波电容器。
过压抑制可控硅单元包括过压抑制可控硅栅级驱动电路和直流电压传感器（DCPT>。
充电单元包括滤波电容器预充电用接触器、变压器和整流器。
电阻单元包括过载电压抑制电阻和放电电阻。
交流电压传感器为霍尔型CT。
交流电流传感器为ACPT。
电动送风机包括主电动通风机和辅助电动通风机（密闭室冷却用）。
CRH2C型动车组牵引变流器的额定参数如下:
1、整流器部分为单相电压3点式PWM整流器;逆变器部分为三相电压3点式PWM逆变器。
2、输入电压为1650V;中间直流电路电压为3050V;每台牵引电机的输出功率为400kW。
3、控制电源、辅助电源电压为100V。
4、三相交流电源电压为400V，50Hz;适用环境温度为2540摄氏度;
CRH型200km/h动车组编组形式为8辆编组，动力配置为4动4拖，编组为Tm-M2-Mi-T2-Tik-M2-Mis-T2，其中相邻两动车为1个基本动力单元。
每个动力单元具有独立的牵引传动系统。
每个动力单元由1台牵引变压器、2台牵引变流器、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2CRH2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1500V,50Hz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2600~3000V定压控制、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3000V电压，向牵引变压器供应1500V,50Hz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：
1285kVA（单相交流1500V,857A,50Hz）；
输出：
1296kW（直流3000V,432A）；
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：
1250Hzo；
（4）逆变器的主要参数:
输入：
1296kW（直流3000V,432A）；
输出：
1475kVA（三相交流2300V,424A，0一220Hz）；
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：
1000Hzo；
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25kV,50H，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1500V（一次侧为25kV时）的电压，并输入牵引变流器的整流器部分。
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。
图4CRH2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CRHz0640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5CRHZ064C列3车报电机电流反馈记录情况
图6CRHz064C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
CRH2052A、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CRH2060A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3Mf，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。
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。
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
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