动车组牵引系统与牵引模块实训装置原理及故障分析研究

姚月明

摘 要：本文将围绕动车组牵引系统及模拟实训装置进行 相关研究，介绍了动车组牵引系统基本结构及工作原理，并对实训装备进行研制，通过对牵引系统典型故障及牵引实训装置分析研究，为类似牵引故障提供指导。

关键词：动车组 牵引控制单元 牵引故障分析 实训装备研制

1 牵引系统结构及工作原理

牵引系统是列车的最核心的技术之一，作为动车运动中枢及输出动力的“心脏”，同时为辅助系统供电，牵引系统发生任何故障，都直接影响到到整个动车组的运行安全，牵引系统主电路系统以两辆车为1个动力单元。依据动车组产品树分析方法[1]将牵引系统产品结构层次划分为系统、分系统、装置、部件4种级别进行产品树构建，只有各牵引单元均处于正常工作时系统才属于正常状态[2]。

受流装置受电后，电路通过VCB控制主变压器原边绕组，变压器绕组把交流电降低输送给变流器。

在M2车、M1车上设完全相同的整流及逆变器，在牵引模式能向电机提供电力。动车组再生制动时，使机械能在牵引系统作用下输出电能，送至接触网。牵引传动由多个独立牵引设备组成，通过牵引设备实现交-直-交传动方式。牵引使能回路自锁建立后，通过列车控制和管理系统（Train Control And Management System，TCMS）输出牵引指令给TCU，使其输出牵引行车[3]。在牵引系统主电路中，变流器设为两电平及两重四象限形式，变流器故障的因素主要有牵引控制单元 TCU 冷却单元、四象限整流器等，而次要因素有中间电路、预充电电路和其他故障[4]，可通过设备控制界面牵引变流器确认工作状态[5]。

2 牵引变流器原理及故障分析

2.1 产品结构及控制方法

整流模块：牵引变压器输出的交流电输入整流器。整流器由变频器、IGBT、交流接触器构成。通过无接点控制装置可将交流电转为直流电，同时设置电流互感器以检测电流。再生制动时变流器输出交流电，并通过变压器提供交流电，交流接触器控制牵引主电路。中间直流模块：无接点控制装置输出的直流电无法满足供电需求，存在高次谐波，会影响逆变模块的电压效果，因此需要在逆变之前将电压进行滤波，降低逆变时电压波动，为满足储能要求，同时设置电容器。逆变模块：逆变模块采用车控方式[6]，滤波电容器电压通过IGBT控制指令转为三相交流电压实现电机牵引功能，在逆变器输出交流电路上，车底位置安装电流互感器，检测电流异常情况。再生制动时，逆变模块将转向架上的电机交流电转为变流器的直流电，输入给中间直流环节滤波电容器。

每个动力车包含1台牵引变流器，安装在车下的牵引设备箱中，可供本车 4 台牵引电机正常运行，并可实现牵引电机的变频调速。此外，牵引变流器通过中间直流环节为辅助变流器提供电源[7]。牵引变流器采用电压型3点式电路，由脉冲整流器、中间直流电路、逆变器构成，整体采用模块化设计形式[8]。牵引变流器功率单元集中布置，脉冲整流器模块、逆变模块，接触器、继电器和IGBT等控制单元集中布置。

2.2 牵引变流器故障分析

故障描述：动车组报四象限二元件总故障，四象限二D相上管故障、四象限二输入过流。

失效分析：从故障数据分析，四象限二整流模块工作在整流状态，输入电流100A左右，中间电压1800V；故障发生时刻，四象限二输入电流急剧上升，超过1900A，中间电压轻微波动，报输入过流故障，DCU脉冲封锁；几个周期后主断跳开。故障发生时刻，四象限二输入电流恒为正，结合报D相上管故障这一现象，可基本判定D相上管IGBT已击穿短路。

对D相上管IGBT、驱动板、检测板进行测试，结果显示IGBT的C、E极，G、E极之间均已击穿短路，检测板二极管击穿短路；对返回的驱动板测试，结果显示驱动板电阻R53、R54烧损，该路驱动正是对应D相上管。将IGBT拆解至芯片层进行显微分析，发现IGBT芯片绑定线键合处大部分烧损，局部有过压、过热的痕迹，与测试结果相符。从驱动板和检测板测试来看，损坏的器件为R53、R54、VD1、VD2和VD3。因此，分析认为该故障过程为首先检测板二极管击穿短路，导致高压引入驱动板，使得电阻R53、R54烧损，驱动板故障进一步导致U相下管误开通，直至击穿短路，最终造成变流器故障。从故障波形及测试结果分析。经分析故障时刻电流，通过A相和B相上管二极管、D相上管IGBT构成短路回路。

后续优化：本次故障在电压、电流等条件正常情况下，四象限二模块D相上管IGBT上的检测板二极管首先失效击穿，导致对应驱动板损坏，使得D相上管IGBT误开通并且无法关断（最终击穿），最终造成整流模块D相C/E极之间阻值异常，后续需更换整流模块。

3 牵引系统模拟实训装置研制

动车组系统较为复杂，其电气控制也分布于各个车厢，为提高故障分析效率，牵引模拟实训装置将各部分功能及逻辑分解到相应单元，最大程度上模拟动车组的实际功能，让工作人员真实地了解实车测试过程及工作原理。根据实车功能及逻辑设计牵引系统，主要设计牵引系统的电气原理、网络控制、运行指令、复位指令、牵引制动指令、警惕环路、牵引控制单元、安全环路，通过plc、变频器建立模拟、数字电路逻辑且能人机交互，通过牵引实训装置熟悉实车控制，增加培训及研究可操作性。

3.1 电路设计

牵引系统控制动车动力输出，驱动电机，实现动车稳定运行的重要控制系统，通过编码器及控制指令，向动车牵引控制单元输出牵引控制指令。模拟信号通过24701、24702输出给PCU模块，再经过17710、17709输出给控制电路，PCU的数字量输入通过运行指令、牵引制动指令、警惕环路、和安全环路，接通变频器的命令源及频率源，实现调速、电制动等功能。

3.2 软件设计

本装置采用软件TIA Portal进行程序编写，采用监视与控制通用系统（Monitor and Control Generated System，MCGS）进行人机界面设计。PLC程序控制牵引系统，在总线上设计一个主站及3个从站，从站EM277模块通过分散型外围设备（Decentralized Periphery，DP）总线协议与主站进行通讯，主站通过以太网将信号传输给上位机，3个从站分别控制各个牵引控制单元，相互独立。A01模块给出指令后，模拟信号通过24701、24702输出给PCU模块，再经过17710、17709输出给控制电路，USS通讯指令通过3、8点位接入29、30点位，复位、牵引等指令通过A01模块，输出给牵引控制指令输入，控制变频器。TCMS信号获得允许指令，检测外接信号正常，并供电正常。牵引模块PLC流程图，如图6所示。

4 结语

本文对动车组牵引系统基本构成及工作原理进行详细的分析并对实训装备进行研制，同时，对动车组运行中牵引系统典型故障进行排查和分析处理，可为后续类似故障处理提供指导。由于牵引系统故障的原因较多，涉及牵引系统各个硬件及软件，后续通过对实训装备及牵引系统故障进行总结、分析研究，能够时刻让牵引系统保持良好的状态，从而确保动车组的可靠性、稳定性。

江苏联合职业技术学院重点项目：先进轨道交通装备产教融合集成平台 建设研究与实践（A/2022/11/003）。

中国中车股份有限公司科技研究开发计划重大项目：交互式数字化实训教学平台技术研究（科技部2023CKA445）。

参考文献：

[1]王华胜，王靖，田春飞，等.动车组产品树分析方法[J].铁道机车与动车，2015（07）：16-20+5-6.].

[2]董超跃.基于动态贝叶斯网络的动车组牵引传动系统可靠性分析[D].北京：北京交通大学，2020.

[3]田松付.关于CR400AF 型动车组全列车牵引无流的研究[J].铁道机车车辆，2020，40（S1）：19-24．

[4]赵振申.CRH380B 型动车组牵引系统故障分析研究[D].北京：中国铁道科学研究院，2020.

[5]王丹.动车组牵引变流器故障分析及其诊断方法研究[D].兰州：兰州交通大学，2020．

[6] 邹档兵.CRH系列动车组牵引变流器主电路分析[J]．铁道机车车辆，2017，37（2）：43-44.

[7]郑文平.复兴号動车组牵引变流器故障分析[J].轨道交通装备与技术，2019，0（5）：42-45.

[8]金冲，李尚宇，刘利国.中国标准动车组牵引丢失常见故障分析[C].第十五届中国智能交通年会科技论文集（2），2020：367-374．