TGA9型变流器电流反馈信号异常报模块故障分析

陈林+刘凯+丁培义+张立辉

（株洲中车时代电气股份有限公司 湖南 株洲 412001）

摘 要：本文主要介绍了TGA9型变流器所使用的电流传感器的工作原理，四象限整流的电流控制方法，阐述了变流器由于电流传感器“M”点脱落，电流传感器信号丢失造成报模块元件故障的原因以及排查方法。

关键词：牵引变流器；电流传感器；过流

一、电流传感器的原理介绍

介绍电流传感器之前，首先初步了解一下我们传感器装配的产品-HXD1C型机车TCU：

TGA9型变流器（简称TCU）应用于机车轴式为C0-C0，牵引电机轴功率为1.2MW的六轴7200kW交流传动电力机车。每台机车配置两台TCU。TCU输入端与主变压器的次边牵引绕组相连，并通过接触器分/合。通过四象限变流器将单相交流电压转变为稳定的中间直流电压。中间直流回路设有支撑电容、谐振电容、接地检测模块和保护模块等。中间电压经过PWM逆变器转换成三相频率和电压可变的输出电压供给三相异步牵引电机。

如图1所示，原理图中红色圈中部分为输入电流传感器，是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。

二、TCU-L2A相下管故障现象以及原因分析

（一）故障现象

机车完成C5修后，库内高压试验，升弓合主断提牵引手柄，机车正常；机车试运时，司机反馈：升弓合主断，提牵引手柄大概10s后机车报TCU1 L2A相下管故障，触发此故障条件为：驱动板检测流过IGBT电流超过1600A，下载故障数据分析可知：故障时刻的四象限输入电流很小，初步判断为误报故障，所以重点排查模块元件故障反馈环节上，根据四象限模块元件故障上报流程进行逐一排查，未找到故障原因。因此推翻之前的判断，假设是非误报故障确实存在过流，只是传感器及线路故障未能反馈电流信号到DCU（中央处理单元），通过排查2路输入电流传感器及线路检查：发现2路四象限输入电流传感器LH2“M” （信号反馈）点脱落。恢复LH2“M”点接线后，故障消除。于是，问题来了：LH2“M”点脱落，为什么会造成L2A相下管故障（驱动板检测流过IGBT电流超过1600A），下面我们来分析故障原因。

（二）故障原因分析

TGA9型TCU的四象限整流的电流控制方法是直接控制法中的三角波电流比较法，当然还存在其它的辅助电路，以确定其输出更加精确。

电路中包括电流滞环和电压环，电流指令由电压环PI输出和一个与电压同相的单位正弦信号相乘得到，指令电流和反馈电流经电流调节器后与三角波信号比较后，得到控制用PWM调制波，控制开关器件的通断，实现输出电流跟踪指令电流，见图2。

依TGA9型TCU为例进行分析：Ud为DCU默认的中间直流标准值即1800V，Ur为中间直流电压传感器的实际采集值，ia为四象限输入电流传感器的采集值，Uf为中间直流电压比较值。

直流电压控制环调节过程是：Ud与Uf比较后送入PI调节器，PI调节器的输出为一直流电流指令Im。稳态时，Ud=Uf，PI调节器输入为“0”，PI调节器的输出电流i的大小与整流负载电流大小相对应。当负载增大时，直流测电容C就会放电使其电压Uf下降，PI就会出现正偏差，使其输出Im增大，稳定时Im稳定在较大的值；当负载减小时，PI输出Im也随着减小，稳定时Im稳定在较小的值。

电流滞环工作流程是：直流电压控制环PI输出Im再乘以其输入电压的同步正弦信号，就得到交流电流的瞬时值ia*，再与四象限的输入电流传感器的采集值相比交后送入电流调节器K后与三角波信号比较后，得到控制用PWM调制波。

整个调节过程是：当负载增大时→Ur减小→Ud-Uf 增大→Im增大→ia*增大→ia*-ia增大 →i增大就会引起控制IGBT的开通时间增大→Uf 增大和ia增大。最后达到动态平衡时Im稳定在新的较大值上所以ia也稳定在新的较大值上。当负载减小时，调节过程和上述相反。

结合我们上述故障现象，电流传感器“M”脱落就导致ia恒为“0”，但是并不影响直流电压控制环工作， ia=0→ i增大就会引起控制IGBT的开通时间增大→ia增大。达稳态时，ia会稳定在新的较大值上。所以我们会出现“M”脱落的那路四象限输入电流会越来越大，当达到一定值后必然会报模块元件故障（驱动板检测流过IGBT电流超过1600A）。

三、故障反思和改进建议

将脱落的电流传感器LH2“M”点接上后故障消除，试想为什么LH2“M”点脱落库内高压试验时无法检测出故障，机车库内试验时，DCU默认触发第一重四象限脉冲（库内试验功率达不到触发三重四象限脉冲的要求），因此DCU不会采集LH2的信号来控制整流模块的PWM调制波，不会报故障，而上线试运时满足触发三重四象限要求，这时DCU会触发一、二、三重四象限脉冲，DCU就会采集LH1、LH2、LH3的信号来控制四象限模块的PWM调制波，导致IGBT過流报模块元件故障。

因此，在后续HXD1C、HXD1D、HXD1机车检修过程中，库内试验时必须隔离牵引风机，使得DCU触发四象限脉冲，从而做到类似故障能在库内发现，及时处理故障，试运时发现故障会给客户交车造成较大影响。

参考文献

[1] 电力电子技术.龙志文.北京：机械工业出版社，2005.

[2] 传感器与检测技术. 党安明，张钦军.北京大学，2011.