HXD1型電力機車牽引控制電源板啟動時序優化
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摘 要：HXD1型電力機車是一種8軸雙節重聯重載交流傳動的電力機車，該車型是在先進的大功率交流機車技術平臺上，并充分考慮到貨運專線的特殊環境，采納了成熟、可靠的技術設計開發的一款適用于中國干線鐵路重載貨運的新型大功率交流傳動電力機車;重載貨物運輸代表了鐵路貨物運輸領域的先進生產力，已成為國家衡量經濟發展的關鍵指標之一。HXD1型電力機車采用系統化、模塊化、高可靠性的設計理念，保證電力機車的動態系統能夠平穩高效運行。但由于電力機車運行環境惡劣，受溫差、海拔風沙等因素的影響，在實際運行過程中，該車型出現故障的頻次較高，尤其是牽引變流模塊;文章針對HXD1型電力機車牽引控制電源板故障進行了研究和分析，首先對問題進行了描述，而后對問題成因進行了探討，接著對啟動電路進行調整和優化，經過驗證取得較明顯成效。
關鍵詞：電力機車;牽引變流器;起動順序;優化
中圖分類號：U269.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）13-0142-02
Abstract： HXD1 electric locomotive is a kind of 8-axle double-section heavy-duty AC drive electric locomotive. The model is based on the advanced high-power AC locomotive technology platform and fully takes into account the special environment of freight dedicated line. A new type of high power AC drive electric locomotive suitable for heavy haul freight of China trunk railway has been designed and developed by adopting mature and reliable technology. Heavy haul freight transportation represents the advanced productivity in the field of railway freight transportation. It has become one of the key indicators to measure the economic development of the country. HXD1 electric locomotive adopts the design concept of systematization， modularization and high reliability to ensure the smooth and efficient operation of the dynamic system of electric locomotive. However， due to the bad operating environment of electric locomotive， affected by temperature difference， altitude wind and sand and other factors， in the actual operation process， the frequency of failure of the model is high， especially the traction converter module; In this paper， the fault of traction control power supply board of HXD1 electric locomotive is studied and analyzed. Firstly， the problem is described， then the cause of the problem is discussed， and the starting circuit is adjusted and optimized. It has been proved to have achieved remarkable results.
Keywords： electric locomotive; traction converter; starting sequence; optimization
1 問題概述
當前HXD1型電力機車廣泛運用于大秦貨運專線，各貨運的鐵路干線，能夠有效緩解我國現階段的鐵路貨運運輸壓力，對于電力機車的設計而言，是以系統化、模塊化、標準化的設計理念，而HXD1型電力機車整車最大的牽引功率為9600kW，最高運營速度達到12km/h;HXD1型電力機車采用的異步牽引電機有兩種型號，本文以國產電機JD160型異步牽引電機為例進行介紹。而牽引變流器（TCU）控制主變壓器和牽引電動機之間的能量傳輸，進而控制牽引電動機以獲得期望的轉矩和轉速。
通過對機車牽引變流器的實驗發現，牽引控制單位在通電后的維護接口電路板指示燈存在異常情況。而后針對此異常情況，在現場展開了相關試驗，最終對異常原因進行確定：不同廠家生產的電源板進行混裝。
2 成因分析
對于TCU的硬件設計而言，當外部供電電源DC 110V通電后，指示燈狀態先由ALNU供電的TCU內部CPU板卡復位一次，而后根據ALCA（H）供電功率模塊脈沖驅動板反饋信號，來對指示燈的正常或異常進行判定，結果為+15V則表示正常，結果為0V則表示異常，存在故障。按照這個實驗邏輯，ALCA要比ALNU提前進行啟動，才不會出現CPU板卡復位從而指示燈異常的情況。正常狀態，通電后ALCA（H）供電給脈沖驅動板，與此同時，脈沖驅動板將+15V的脈沖結果進行反饋;而后，ALNU供電的CPU對各個指示燈的狀態進行恢復，此時因為+15V的脈沖結果反饋已經出現，因此復位后指示燈不會再出現相應的異常情況。異常狀態，上述提到ALNU的啟動時間要高于ALCA，通電后CPU對指示燈狀態進行了恢復，而以此同時，ALCA（H）供電的脈沖驅動板最后的結果反饋還是低電平，+15V高電平脈沖未得到返回，此低電平信號對正常指示燈（綠燈）進行直接驅動，正常指示燈被熄滅，同時該異常狀態被鎖死。為了保證設計的安全性，而后+15V脈沖結果得到了返回，如果不對軟件進行復位，指示燈的狀態就不會發生任何變化，從而出現指示燈異常的情況。 對上述內容完成相應的分析，可以得出這種現象的成因就是因為ALNU及ALCA（H）啟動時序存在差異。所以筆者認為，ALNU的啟動時間需要高于ALCA（H）的啟動時間，這樣就可以有效保證指示燈正常運行。
3 優化方案
對于正常運行而言，在外部輸入進行通電后，M7中的2也進行通電，同時U2進行導通，M1PC、M2PC、M3PC三者的電位持續被降低，這時模塊沒有任何輸出。在M7中的2電位被拉低后，轉變為低電平，U2閉合，M1PC、M2PC、M3PC三者轉變為高電平，這時模塊可以進行正常穩定的輸出。
在外部輸入電源進行通電后，C1利用R16進行充電，在C1兩邊的電壓比ZD1高的同時，ZD1進行導通，如此一來Q2也進行導通，而J1中的3電壓被一定程度上降低。為獲取具體的整改數據信息，結合A廠家電源板相關的技術參數進行了相應的測量工作，具體表現為ALNU及ALCA的啟動時長，與此同時，針對B廠家電源板在啟動時長方面進行了相應的調整和優化。
對于以上內容進行分析后，筆者制定和實施了相應的調整和優化方案：要使得Q2導通時間適當得到延長，就要將C1電容受承受的電壓在提高時間上變緩，而C1電容是利用R16完成充電，那就要對R16的阻值進行相應的改變，將22kΩ轉變為100kΩ，在啟動時間上從原有的220ms變化為570ms。本次的調整和優化方案在安全性上存在保障，且具備一定的合理性和可行性，未對牽引控制單位的其他相關功能造成影響。
4 驗證工作
4.1 驗證方法
在實驗結束后，要對以上的數據參數進行合理的驗證，針對相應的驗證計劃，本文提出了以下幾點：找出原有存在故障的相應機箱，將指示燈異常的現象在其中進行復現，對電源啟動時序完成相關測試，從而合理驗證上述的參數分析等方面。在這個存在故障的機箱中，把ALNU進行更換，換為調整優化后的ALNU，而后進行細致觀察，觀察內容主要包括通電后指示燈是否正常，接著對電源啟動時序進行相應測試，最后針對變流柜高壓進行相應測試，以此來對調整優化方案進行驗證，看其是否具備有效性。對于A、B廠家生產的電源板，進行相關組合，得到四種組合形式，對通電后指示燈的狀態進行細致觀察，同時對電源啟動時序進行測試，以此來對調整優化方案進行驗證，看其是否具備可靠性。
4.2 最終驗證結果
按照上述驗證方法，進行相關的驗證工作，通過相應的測試可以得出，以上驗證計劃全部得到有效滿足，這也就極大程度上證明了本次調整優化方案的可行性和有效性。
4.3 驗證結果分析
結合最終的實驗結果，最初的指示燈狀態異常問題找到了最根本的成因，就是因為ALNU啟動時間相比ALCA較低。在這一基礎上，研究發現ALNU的啟動時間若是高于ALCA的話，出現的問題就能夠得到解決。通過本次試驗的相關數據可以了解到，因為A廠家生產的電源板在單機和系統測試中所表現出來的差異較大，就造成了依照50%裕度設定的限制數值變得較小，A廠家生產的電源板ALCA的啟動時間最大值不超過700ms，為了日后在混合使用上不在出現此類異常，將B廠家生產的ALNU電源板的啟動時間限制在850±100ms，ALCA電源板啟動時間限制為200±100ms。在此情況的基礎上，增加裕度對測試進行相應調整，為了給啟動時序提供充足的余量，根據上述的啟動時間限制，對ALNU內的R16在阻值上進行調整和設定，從之前的100kΩ調整為180kΩ，而后對上電時序依照上述試驗方法重新進行測試，最終測得的試驗數據為790ms，而限制時間的數值為850±100ms，因此，滿足限制值，且牽引控制單位一切功能均為正常，可以平穩有效進行相關工作。
5 結束語
綜上所述，本文先對指示燈異常問題進行了描述，而后針對問題對異常出現的原因進行了探討，而后在具體的調整和優化試驗中，對ALNU充電電阻R16進行了相應調整，最終的試驗效果較為明顯，未對牽引控制單位其他方面的功能產生不必要的影響。通過本次的研究和分析，筆者認為在電源板采購方面，需要對相關廠家做出明確規范，保證電源板啟動時間可以滿足相關要求，與此同時，電源板廠家應該進行和完善相關的啟動時序測試和研究。為了能夠有效避免此類問題的再次出現，在牽引控制單位的相關測試中要重點關注電源啟動時序這一項。在對電源板進行收貨驗收時，還應該通過合理的抽樣檢測方法對產品進行相關檢測，以保證此類問題不再出現。
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