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        深圳地鐵2期工程B型車牽引系統(tǒng)數(shù)字輸入板燒損原因分析及改進(jìn)方案

        2012-11-27 05:58:02陳富東
        鐵道機(jī)車車輛 2012年4期
        關(guān)鍵詞:板件容量電阻

        陳富東,宋 福

        (深圳市地鐵三號(hào)線運(yùn)營(yíng)分公司 車輛部,廣東深圳518172)

        深圳地鐵2期工程3號(hào)線列車選用標(biāo)準(zhǔn)B型車,是目前深圳軌道交通線網(wǎng)中唯一選用B型車的線路。列車6輛編組(4動(dòng)2拖),牽引和電制動(dòng)系統(tǒng)由韓國(guó)現(xiàn)代Rotem公司提供,采用交流傳動(dòng)和動(dòng)力分散控制技術(shù)。每個(gè)動(dòng)車安裝有獨(dú)立的牽引逆變器及控制單元,各動(dòng)車之間互不影響。深圳地鐵三號(hào)線高架段于2010-12-28開(kāi)通試運(yùn)營(yíng),初期車輛牽引系統(tǒng)整體表現(xiàn)良好,列車運(yùn)行穩(wěn)定,但從2011-08開(kāi)始,正線運(yùn)營(yíng)列車相繼發(fā)生多起牽引系統(tǒng)數(shù)字輸入板燒損故障,導(dǎo)致列車損失1/4動(dòng)力,影響列車牽引和電制動(dòng)性能,對(duì)運(yùn)營(yíng)秩序造成了一定的影響。因此如何消除該故障對(duì)運(yùn)營(yíng)秩序的影響,是必須要研究并解決的重要課題。

        1 牽引系統(tǒng)數(shù)字輸入板燒損基本情況

        通過(guò)對(duì)2011-08,2011-09,2011-10 3個(gè)月電客車的正線故障記錄統(tǒng)計(jì)、分析發(fā)現(xiàn),3個(gè)月共發(fā)生11起牽引系統(tǒng)數(shù)字輸入板燒損故障,處理的方式均是對(duì)牽引逆變器控制單元內(nèi)的數(shù)字輸入板(DIN板)進(jìn)行更換。DIN板主要作用是收集列車DC110V控制信號(hào)(如列車牽引制動(dòng)、列車方向、牽引系統(tǒng)高速斷路器、線路接觸器狀態(tài)等信號(hào)),將這些信號(hào)處理后傳送至牽引逆變器控制單元主處理器,主處理器判斷滿足工作條件后控制牽引逆變器工作。

        2 牽引系統(tǒng)數(shù)字輸入板燒損原因分析

        故障發(fā)生后立即進(jìn)行了詳細(xì)分析,由于DIN板燒損后表現(xiàn)出的故障現(xiàn)象是列車牽引系統(tǒng)接觸器故障,首先對(duì)牽引系統(tǒng)主斷路器箱內(nèi)的高速斷路器、線路接觸器及接線進(jìn)行了檢查,均未發(fā)現(xiàn)異常,后檢查牽引逆變器控制單元上各電路板與外部通信的插接接頭,也未發(fā)現(xiàn)異常,最后對(duì)牽引逆變器控制單元的各板件進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)控制單元中負(fù)責(zé)收集信號(hào)的DIN板部分降壓電阻燒損,更換燒損的DIN板后故障消失,由此可以確定引起牽引系統(tǒng)接觸器故障的原因是DIN板發(fā)生了燒損。

        對(duì)牽引系統(tǒng)數(shù)字輸入板燒損故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),DIN板燒損并非只發(fā)生在某個(gè)車組上,而是帶有一定的隨機(jī)性,因此可以排除是單個(gè)車組牽引系統(tǒng)質(zhì)量或工藝裝配缺陷造成,初步懷疑是板件設(shè)計(jì)缺陷引起的普遍故障。同時(shí)對(duì)上線運(yùn)營(yíng)的所有車組的牽引逆變器控制單元DIN板檢查,發(fā)現(xiàn)板件降壓電阻附近均有由于受熱不同程度顏色變深的現(xiàn)象,且投入運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)的列車DIN板顏色較運(yùn)營(yíng)時(shí)間短的車深。通過(guò)觀察DIN板變色和燒損的部位發(fā)現(xiàn),所有車組DIN板燒損和受熱變色均位于同一部位,即列車110V信號(hào)常帶電區(qū)域(列車緊急環(huán)路信號(hào)、列車方向信號(hào)、列車牽引制動(dòng)信號(hào)、列車斷路器閉合等信號(hào))。

        鑒于上述現(xiàn)象,我們初步判斷以下兩種原因可能導(dǎo)致故障發(fā)生。

        (1)牽引逆變器控制單元DIN板降壓電阻參數(shù)選擇錯(cuò)誤,降壓電阻額定容量小于實(shí)際工作容量,超負(fù)荷工作引起電阻燒損;

        圖1 局部發(fā)生變色的DIN板

        圖2 發(fā)生燒損的DIN板

        (2)牽引逆變器控制單元DIN板降壓電阻排列不合理,沒(méi)有有效散熱空間,工作時(shí)產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散發(fā),長(zhǎng)期積累,最終導(dǎo)致DIN板燒損。

        針對(duì)以上可能的原因進(jìn)行深入分析,以確定引起故障的最終原因,徹底杜絕該類故障的發(fā)生,保證列車運(yùn)行質(zhì)量。

        2.1 降壓電阻參數(shù)分析

        根據(jù)電路原理圖及實(shí)際工作電壓計(jì)算降壓電組實(shí)際工作容量:

        現(xiàn)有DIN板上選用的R2、R98額定容量為1W,是實(shí)際工作容量的3.5倍;

        (2)R3、R4、R99、R100、R101、R102實(shí)際工作容量計(jì)算

        (1)R2、R98實(shí)際工作容量計(jì)算

        現(xiàn)有 DIN 板上選用的R3、R4、R99、R100、R101、R102額定容量為1W,是實(shí)際工作容量的3.7倍。

        通過(guò)計(jì)算可知,DIN板降壓電阻額定容量是實(shí)際工作容量的3.5倍以上,因此排除由于降壓電阻額定容量小于實(shí)際工作容量,超負(fù)荷工作而引起電阻燒損的可能。

        圖3 DIN數(shù)字輸入板燒損部分電路原理圖

        2.2 降壓電阻排列方式分析

        為了驗(yàn)證是否由于DIN板降壓電阻排列不合理,缺乏有效散熱空間,熱量積累導(dǎo)致板件燒損,我們選取兩塊相同的DIN板,將其中一塊DIN板的電阻間隙人為增大,保證試驗(yàn)室恒溫(25℃)的情況下,在兩塊DIN板1~4頻道(列車DC110V常帶電區(qū)域)分別輸入DC110V電壓約3h,待環(huán)境溫度飽和后對(duì)板件溫度進(jìn)行測(cè)量(圖4)。從紅外相機(jī)拍攝的照片以及溫度測(cè)量數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn),相同條件下,降壓電阻間隙大的DIN板較降壓電阻小的DIN板相對(duì)溫升低約10℃,由此說(shuō)明增大DIN板降壓電阻的間隙可以減少熱量積累,降低板件溫度。

        但如何選取一個(gè)相對(duì)合理的電阻排列方式,還需要驗(yàn)證單一電阻阻值與溫度的關(guān)系。選取圖3中DIN板輸入單元電路的43kΩ和10kΩ降壓電阻,保證試驗(yàn)室恒溫(25℃)的情況下,在電阻兩端分別直接施加DC110V電壓約3h,待環(huán)境溫度飽和后對(duì)單一電阻溫度進(jìn)行測(cè)量(圖5)。從紅外相機(jī)拍攝的照片以及溫度測(cè)量數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn),相同條件下,電阻發(fā)熱量與阻值的大小有關(guān),阻值小的電阻較阻值大的電阻發(fā)熱量大。因此,可以將發(fā)熱量大的電阻與發(fā)熱量小的電阻交叉排列,以減少熱量的集中。

        圖4 DIN板電阻溫升試驗(yàn)

        圖5 單一電阻溫升試驗(yàn)

        通過(guò)以上試驗(yàn)可知改變DIN板上降壓電阻排列方式,可以減少熱量累積,降低板件表面溫度。因此可以判斷現(xiàn)有DIN板降壓電阻的排列結(jié)構(gòu)對(duì)DIN板的散熱不利,DIN板工作時(shí)降壓電阻產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散發(fā),長(zhǎng)期累積,導(dǎo)致DIN板燒損。

        3 牽引系統(tǒng)控制單元DIN板改進(jìn)及效果

        找到引起DIN板燒損的原因后,聯(lián)合廠家對(duì)現(xiàn)有DIN板進(jìn)行了改進(jìn)。首先在滿足工作容量的前提條件下,將現(xiàn)有的柱狀電阻更換為體積較小的片式電阻,以增大散熱空間,同時(shí)對(duì)電阻的排列結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),將發(fā)熱量較大的電阻與發(fā)熱量小的電阻交叉排列,以避免熱量集中。

        改進(jìn)后的DIN板在試驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)性能和型式試驗(yàn),2011-10-12 12塊新型DIN樣板到達(dá)深圳3號(hào)線車輛段,我們按每?jī)蓧K一組將其分成6組安裝在6組電客車上進(jìn)行裝車試驗(yàn),主要目的是在實(shí)際工作條件下對(duì)其進(jìn)行性能和穩(wěn)定性測(cè)試,并對(duì)其散熱能力進(jìn)行檢查。試驗(yàn)30天未發(fā)生任何故障,同時(shí)觀察改進(jìn)后的DIN板,未發(fā)現(xiàn)有受熱變色的現(xiàn)象出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,認(rèn)為新型的DIN板滿足深圳地區(qū)工作環(huán)境要求。目前深圳地鐵3號(hào)線列車上已全部安裝了改進(jìn)后的DIN板,運(yùn)行至今未再發(fā)生有燒損的現(xiàn)象。

        此次牽引逆變器控制單元數(shù)字輸入板頻繁燒損故障的處理對(duì)運(yùn)營(yíng)及設(shè)計(jì)單位都提供了很好的借鑒實(shí)例。在新車設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各種因素要考慮充分,以減少運(yùn)營(yíng)后帶來(lái)的嚴(yán)重影響及損失;運(yùn)營(yíng)車輛日常維護(hù)中要拓寬思路,全面考慮,找到真正的故障原因,進(jìn)行及時(shí)有效地處理,保證列車質(zhì)量,降低對(duì)正線運(yùn)營(yíng)的影響。

        圖6 改進(jìn)前的DIN板(柱狀電阻)

        圖7 改進(jìn)后的DIN板(片式電阻)

        [1](美)Louis Scheffer.集成電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與測(cè)試[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

        [2]金東明,韓丁珠.深圳地鐵3號(hào)線電客車牽引逆變器控制單元DIN板燒損研究報(bào)告[R].2011,10.

        [3]金東明,林章均.深圳地鐵3號(hào)線電客車牽引逆變器維修手冊(cè)[R].韓國(guó)現(xiàn)代樂(lè)鐵股份有限公司.2009.12.

        [4]何宗華,汪松滋,何其光.城市軌道交通車輛運(yùn)行與維修[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

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