充電電阻故障分析及改進措施-基礎電子

精品文檔-下載后可編輯充電電阻故障分析及改進措施-基礎電子摘要：本文簡述了深圳地鐵1號線列車牽引逆變器充電電路的工作原理，充分分析充電電阻故障的原因，指出充電電阻設計上的問題和缺陷，并提出改進措施。

1.引言

在城市軌道交通的列車設備上，牽引逆變器是牽引和控制的設備和動力源泉。牽引設備發(fā)生故障輕者造成列車失去部分牽引動力，嚴重情況造成全列車完全散失牽引力。輕者影響了列車運行的牽引制動控制性能，造成列車控制不平穩(wěn)、停車不準確、列車晚點、下線等，嚴重情況造成列車救援，對地鐵運營產(chǎn)生嚴重的影響。因此，在列車牽引系統(tǒng)的設計上，電路設計要，設備質量要可靠，以提高設備運行的可靠性，減少故障。本文以深圳地鐵1號線一期工程列車牽引逆變器充電電路為研究對象，介紹深圳地鐵列車牽引逆變器充電電路的工作原理，充分分析充電電阻燒損的原因，指出充電電路設計上存在的問題和缺陷，提出設計的新思路和改進措施。

2.充電電路的工作原理

2.1牽引系統(tǒng)的介紹

深圳地鐵1號線列車是由4動2拖車組成的6列編組的列車，每列車由兩個相間的三車單元（A-B-C-C-B-A）構成。B車和C車為動車，具有相同的、獨立的列車牽引設備。牽引系統(tǒng)其主要功能是把DC1500V電壓逆變成帶有可變振幅和頻率的三相電壓，用于的牽引和制動牽引電機，產(chǎn)生牽引力或制動力，將電能轉換成機械能或將機械制動能量轉換成電能，實現(xiàn)牽引或再生制動。一節(jié)車的牽引系統(tǒng)電路圖如圖1所示，其主要由高速斷路器、電抗器、充電電路、電機逆變器、牽引電機（4個）、制動電阻器、接地碳刷等組成。紅色框的為牽引逆變器的充電電路。

圖1單個牽引系統(tǒng)電路圖

2.2充電電路的工作原理

為了使電機逆變器與外部供電線路DC1500V進行連接或斷開，每個電機逆變器使用一個線路高速斷路器和一個充電電路，充電電路帶有一個線路接觸器，一個充電接觸器及充電電阻器。充電電路的充電順序如圖2所示，按壓高速斷路器的"合"按鈕，高速斷路器閉合，電機逆變器的牽引控制單元（DCU/M）控制充電接觸器閉合，外部供電通過充電接觸器和充電電阻器對電機逆變器的電容器進行充電，閉合2S后，DCLINK電壓充電升至1000V以上，線路接觸器閉合，線路接觸器投入工作，延時1S后，斷開充電接觸器，再延時1S后，電機逆變器啟動投入正常工作。電機逆變器正常工作期間，線路接觸器常閉合，充電接觸器處于斷開狀態(tài)。

圖2充電順序圖

3.充電電路故障分析

從上面充電電路的工作原理可以看到，充電電路只是在電機逆變器啟動開始階段進行邏輯關系的閉合。電機逆變器工作期間，線路接觸器處于常閉合的狀態(tài)，充電接觸器處于斷開的狀態(tài)。充電電路的充電接觸器和充電電阻器，工作的時間和頻率相當少，一天只是2至3次的啟動，按理故障率應該相當小。但在深圳地鐵1號線一期工程的列車中，電機逆變器的充電電路故障共發(fā)生35件，其中充電電阻器燒損32件，充電接觸器故障3件，充電電阻器燒損故障為充電電路故障的主要故障。下面重點分析充電電路的充電電阻燒損故障。

4.充電電阻燒損故障分析

4.1充電電阻故障與列車無關

深圳地鐵1號線一期工程共有列車22列，列車按列車號順序先后交貨，相隔2年時間，充電電阻燒損故障在22列車中共有11列車發(fā)生故障，故障列車分布散開，同一列車發(fā)生1-3個充電電阻故障（1列車共有6個充電電阻器），沒有集中列車現(xiàn)象，所以，充電電阻燒損故障與列車無關。

4.2充電電阻故障多發(fā)生于使用一定時間后

根據(jù)故障情況統(tǒng)計，充電電阻燒損多發(fā)生于使用8個月至18個月之間，在時間分布上說明充電電阻是在使用一段時間后產(chǎn)生的故障，但也不能說明充電電阻使用一定時間后，一定會發(fā)生燒損故障，因為102車和105車目前已使用超過2年半的時間，但從未發(fā)生過同類故障。22列車中有11列車未發(fā)生充電電阻故障，所以與列車無關。

4.3充電電阻故障與操作無關

我們對充電電阻發(fā)生燒損故障時的作業(yè)操作進行調查，故障多發(fā)生于電機逆變器啟動閉合充電接觸器時，充電電阻就燒損，多數(shù)為性操作就發(fā)生故障，與操作手法和次數(shù)無關。

我們曾試驗連續(xù)多次分斷高速斷路器，來多次啟動電機逆變器，并未出現(xiàn)充電電路燒損現(xiàn)象。

并且電機逆變器控制對充電電阻過熱有保護功能。我們多次試驗證明多次充電后，充電電阻過熱保護功能起保護作用后，充電電阻并未燒損。因此，充電電阻燒損故障與操作無關。

4.4充電電阻故障發(fā)生具有瞬間性特點

我們了DCU/M的故障信息進行分析，故障信息代碼為充電失敗故障，查看環(huán)境信息，當時充電接觸器閉合后，DC-LINK電壓沒有上升，500ms后，充電接觸器斷開，檢查充電電路線路均正常，說明在充電接觸器閉合時，高電壓進入充電電阻器瞬間，充電電阻器就燒損。我們對多次故障的調查和分析，多次表明充電電阻燒損只是在閉合的瞬間就燒損，具有瞬間燒損的特點。

5.充電電阻燒損原因分析

根據(jù)車輛技術資料和實際測量結果得出以下參數(shù)數(shù)據(jù)：充電電阻j由電阻合金絲繞制而成，充電電阻R=50Ω，電氣絕緣值為350MΩ，電容器C=4Mf,電壓從25V充電到1508V的所需時間為557ms,根據(jù)電容充電電流計算公式：

電阻功率為P=I2*R=（10.6）2*50=5618（瓦）

根據(jù)供貨商（BOMBARDIER）提供的關于充電電阻性能測試的試驗，充電電阻在正常充電情況下，充電可使電阻溫度升高約100℃，而電阻充電后的溫度下降較慢，充電電阻的溫度從300℃下降到200℃需要5分鐘的時間，溫度從300℃下降到140℃需要15分鐘的時間[3].所以，充電電阻雖然只是瞬間充電，但實際是一個大功率電阻元件，在充電瞬間產(chǎn)生較大的熱量且難以散發(fā)出動。電阻燒損較多，我們對充電電阻進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)充電電阻存在以下問題：

5.1充電電阻的電阻線圈機械結構安裝不牢固

充電電阻的電阻線圈是直接裝在充電電阻外殼內部（結構圖見圖3），電阻是由兩個相同的100Ω電阻線圈并聯(lián)組成，在機械結構的安裝上，其左側是連接外部導線的電纜與電阻線圈相連，起到一定的固定作用。右側沒有任何的固定裝置，懸空放置于電阻的外殼中間，內部填充石灰粉，電阻線圈偏向一邊，與絕緣樹脂墊片直接接觸，明顯有燒損的痕跡。如圖4所示，充電電阻燒損多的地方為電阻的兩端，特別是在靠近絕緣樹脂墊、電阻線圈繞彎處、表面有密封膠處。

圖3充電電阻側面

圖4燒損的充電電阻

5.2電阻外殼的密封膠過多，密封膠粘到電阻線圈上

外殼的密封膠用于密封防水作用，但密封膠粘到電阻線圈上，使電阻線圈的熱量散發(fā)不出去，長期造成電阻線圈過熱氧化而燒損。

5.3電阻線圈繞彎度過大

如圖4所示，電阻線圈是呈長方偏形繞線式電阻，電阻線圈彎曲度過大，解體過的充電電阻，均發(fā)現(xiàn)此處有燒斷現(xiàn)象，是電阻燒損較多的地方之一。電阻線圈彎曲度過大，使線圈的機械性能發(fā)生變化，其電阻阻值增大，所以相同電流下發(fā)熱較多，容易燒損。

5.4絕緣樹脂墊片阻隔熱量散出并使電阻線圈氧化

充電電阻線圈與外殼之間，放置一層厚度約1.5mm的絕緣樹脂墊片，用于電阻線圈與電阻外殼的電氣絕緣。在正常情況下，絕緣樹脂片的電氣絕緣大于200MΩ，符合電氣絕緣要求，但其導熱性較差，阻隔了內部熱量通過外殼散發(fā)出去。內部高溫的熱量被絕緣樹脂墊片吸收后，使絕緣樹脂墊片變?yōu)楦邷匚矬w，由于電阻線圈移位，電阻線圈與絕緣樹脂墊片相接觸，高溫的絕緣樹脂墊片烘烤著電阻線圈，造成其接觸處的電阻線圈絕緣破損，線圈氧化，如圖4的黑色部分，長期不斷的氧化使電阻線圈變黑阻值增大而燒損。

綜合以上4點，充電電阻是一個電阻線圈內部填充石灰粉完全密封于鋁合金外殼的電器，石灰粉排除空氣，但其散熱性較差，內部的絕緣樹脂片進一步阻隔了內部熱量散出。電阻線圈的偏移、電阻線圈上存在密封膠、電阻線圈彎度過大等不良因素，加劇電線線圈的氧化和老化，造成電阻線圈燒損。

6.改進措施

6.1使用質量可靠的充電電阻

由于充電電阻在設計上和質量上存在問題，更換新的充電電阻，經(jīng)過一段時間的使用后，還是會出現(xiàn)同樣的故障。并且充電電阻為進口備件，采購周期較長，價格為1350元/件，價格較貴。經(jīng)過研究和調查，可選擇鋁殼電力型電阻器AL系列電阻替換現(xiàn)有的充電電阻，耐壓為2200V,阻值為50Ω，選用安裝尺寸相同的或另加安裝支架解決安裝問題。

鋁殼電力型電阻器AL系列的電阻具有特點：由彈簧合金電阻體與成型鋁殼之組合，經(jīng)高溫陽極處理后，再以特殊阻燃耐熱水泥充填，待陰干，再藉由高溫處理固定絕緣而成。由于整個電阻器都被耐熱水泥充填固定，不怕外來之機械力量與塵埃環(huán)境，不但功率大而且堅固，耐震，散熱良好，電阻溫度系數(shù)小，呈直線變化，其變通性佳多重組合選擇，方便安裝。電阻如圖5所示。

圖5鋁殼電力型電阻器

6.2改進充電電路連接

根據(jù)圖1所示，充電電路完成充電后，充電接觸器雖然斷開，但充電電阻的另一端依然連接在主電路中，這種連接存在的弊端是：外部供電電壓存在波動，電阻接在電路中與地形成一個RC諧振電路，受到網(wǎng)壓波動時，RC諧振電路有電流流動，電阻會產(chǎn)生