HXD3型机车辅助变流系统冗余控制与故障切换机制研究

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摘要：HXD3型电力机车辅助变流系统采用两套独立的大功率变流器（APU1、APU2）协同供电架构，分别以VVVF和CVCF方式工作，为全车辅助电动机和加热装置提供三相交流电源。当任一组辅助变流器发生故障时，系统可通过冗余控制实现负载自动切换，由另一组辅助变流器以CVCF方式承担全部辅助负载。本文基于HXD3型电力机车辅助电路原理，系统分析了辅助变流系统的双机冗余架构、正常工况下的负载分配策略、故障自动切换的时序逻辑与信号流程，以及切换后对辅助设备运行的影响。研究表明，辅助变流系统的冗余设计显著提高了机车的运用可靠性，但故障切换后的降容运行模式对乘务员的操纵提出了特殊要求。在此基础上，提出了辅助变流系统故障的识别方法、应急处置建议和检修优化措施。

关键词：HXD3型电力机车；辅助变流系统；冗余控制；VVVF；CVCF；故障切换


### 1 引言

HXD3型交流传动货运电力机车的辅助电路是保障机车正常运行的重要组成部分。辅助电路为牵引电动机通风机、复合冷却器通风机、空气压缩机、主变压器油泵、主变流器水泵、司机室空调等辅助设备提供三相交流电源，同时还为司机室加热装置、电热玻璃、低温预热回路等提供单相交流电源。辅助供电的可靠性直接关系到机车能否持续稳定运行——一旦辅助供电中断，牵引电动机将因通风失效而迅速过热，主变流器将因冷却中断而封锁输出，整台机车将丧失牵引能力。

为提高辅助供电系统的可靠性，HXD3型电力机车设计了两套完全独立的辅助变流器（APU1和APU2），分别由主变压器的两个辅助绕组供电。每套辅助变流器的额定容量均按照独立承担全车辅助负载的能力设计，正常运行时分担约50%的负载。当任一套发生故障时，另一套可自动承担全部辅助负载，实现了辅助供电系统的冗余控制。这一设计在铁路机车领域具有典型意义——它体现了大功率交流传动机车“故障导向安全、单点故障不停车”的设计理念。

本文从HXD3型电力机车辅助电路的基本架构出发，系统解析辅助变流系统的冗余控制原理、故障切换机制及切换后的运用特性，以期为机车运用、检修和故障处理提供技术参考。


### 2 辅助变流系统的基本架构

#### 2.1 辅助变流器的技术参数

HXD3型电力机车共设有两套辅助变流器UA11和UA12（又称APU1、APU2），分别同两套主变流器UM1、UM2安装在一起。每套辅助变流器的额定容量均为230kVA。

辅助变流器的核心参数如下：

额定输入电压为单相399VAC，额定输入频率为50Hz。直流中间回路电压为750VDC。功率元件采用IGBT（1700V、1200A）。调制方式为四象限整流（输入）加PWM（输出）。

辅助变流器具有两种工作方式：VVVF（变压变频）方式和CVCF（恒压恒频）方式。VVVF方式下，输出电压可在2至380VAC范围内调节，输出频率可在0.2至50Hz范围内变化，适用于牵引通风机、复合冷却器通风机等需要根据机车工况调节转速的负载。CVCF方式下，输出电压恒定为380VAC，输出频率恒定为50Hz，适用于空气压缩机、油泵、水泵、空调等需要恒定转速的负载。

#### 2.2 辅助供电的主电路结构

两套辅助变流器分别由主变压器TM1的两个辅助绕组3U1、3U2供电，辅助绕组的电压均为399V。辅助变流器UA11的输出经过辅助滤波器LC和输出接触器KM11，向牵引风机电动机MA11至MA16（共6台）和冷却塔风机电动机MA17、MA18供电。

辅助变流器UA12的输出同样经过辅助滤波器LC和输出接触器KM12，向空气压缩机电动机MA19、MA20、主变压器油泵MA21、MA22、司机室空调EV11、EV12、主变流器内部的水泵WP1、WP2、辅助变流器风机APBM1、APBM2供电。同时，UA12还经过AT1隔离变压器，分别向司机室内的辅助加热设备、卫生间及压缩机加热回路和低温预热设备提供AC220V和AC110V交流电源。

这种分工设计的逻辑是：风机类负载需要根据机车速度和工况调节转速，由APU1以VVVF方式供电最为合理；泵类和恒速负载需要稳定的频率和电压，由APU2以CVCF方式供电最为适宜。

#### 2.3 正常工况下的负载分配

正常运行时，辅助变流器UA11工作在VVVF方式，辅助变流器UA12工作在CVCF方式，分别为机车辅助电动机供电。每一台辅助变流器的额定容量是按照独立带整车辅机的情况设计的，因此正常情况下，辅助变流器UA11、UA12基本上以50%的额定容量工作。

具体负载功率分配如下：UA11侧负载包括6台牵引电动机通风机（每台18.5kVA）和2台冷却塔通风机（每台20kVA），合计约151kVA。UA12侧负载包括2台空气压缩机（每台25kVA）、2台主变流器水泵（每台5.4kVA）、2台主变压器油泵（每台3.7kVA）、2台司机室空调（每台5kVA）、2台辅助变流器通风机（每台2kVA）以及辅助加热装置（30kVA），合计约115kVA。

两套辅助变流器各司其职、协同工作，既保证了辅助设备的最佳运行状态，又实现了供电容量的合理分担。


### 3 冗余控制与故障切换机制

#### 3.1 故障切换的触发条件

辅助变流系统的故障切换由TCMS自动完成。当某一套辅助变流器发生故障时，故障的辅助变流器能及时发送信息给TCMS，通过TCMS的控制，自动完成输出电磁接触器的动作转换，不需要切除任何辅助电动机，另一套辅助变流器可以承担机车全部的辅助电动机负载。

触发故障切换的条件包括：

辅助变流器输入过流。在辅助变流器的输入回路中设有输入电流互感器ACCT，其动作保护值为1600A。当保护发生时，四象限整流器的门极被封锁，工作接触器断开，同时向TCMS发出跳主断信号。

辅助变流器输出过载。在辅助变流器的输出回路中设有输出电流互感器CTU和CTW，辅助电动机回路过载保护的动作值为850A。保护发生时，逆变器的门极被封锁，同时向TCMS发出跳主断信号。

辅助变流器中间直流回路电压异常。当中间回路电压大于等于825V或小于等于580V时，逆变器门极被封锁；当中间回路电压大于等于825V或小于等于270V时，四象限整流器门极被封锁。

辅助变流器输入电压异常。当输入电压低于279V（对应网压低于17.5kV）时，低压保护动作；当输入电压高于502V（对应网压高于31.5kV）时，过压保护动作。

当上述任一故障发生且该辅助变流器在2分钟内连续发生多次（输入过流为2次，输出过载为6次）不能自行恢复时，该辅助变流器将被锁死，TCMS即启动故障切换程序。

#### 3.2 故障切换的时序逻辑

故障切换的时序逻辑如下：

当辅助变流器UA11发生故障时，TCMS首先断开UA11的输出电磁接触器KM11，切断故障变流器与负载的连接。随后TCMS闭合故障转换接触器KM20，将原UA11所带的负载（牵引通风机和冷却塔通风机）切换至UA12供电。与此同时，TCMS将故障信息传递给UA12，使其从CVCF方式切换为CVCF方式（保持CVCF方式不变，因为UA12本就工作于CVCF方式，切换后仍需以CVCF方式为全部负载供电）。

当辅助变流器UA12发生故障时，TCMS首先断开UA12的输出电磁接触器KM12，切断故障变流器与负载的连接。随后TCMS闭合故障转换接触器KM20，将原UA12所带的负载切换至UA11供电。与此同时，TCMS将故障信息传递给UA11，使其从VVVF方式切换为CVCF方式——这是因为切换后UA11需要为空气压缩机等恒速负载供电，必须转为CVCF方式运行。

无论哪种情况，故障切换完成后，所有辅助电动机全部由另一套辅助变流器供电，该辅助变流器按照CVCF方式工作，不受其他指令的控制。

#### 3.3 切换后的运行特性

故障切换后，辅助变流系统进入降容运行模式，具有以下运行特性：

牵引通风机和冷却塔通风机将正常满功率工作。由于UA11故障时切换至UA12（CVCF方式），或UA12故障时UA11转为CVCF方式，风机类负载不再按VVVF方式调节转速，而是以额定转速恒速运转。这意味着无论机车速度如何，牵引通风机和冷却塔通风机均以最大风量运行。

空气压缩机只有操纵端的一台可以投入工作。这一限制是因为两台空气压缩机的控制逻辑与操纵端相关——在I端操纵时空气压缩机1工作，在II端操纵时空气压缩机2工作。故障切换后，由于只有一套辅助变流器供电，两台压缩机中只有靠近操纵端的那一台能够获得供电并投入工作。

辅助加热设备仍可正常工作。由于UA12正常时本就为加热设备供电，UA11故障切换不影响加热回路；UA12故障切换至UA11后，UA11转为CVCF方式，同样可以为经AT1隔离变压器供电的加热设备提供稳定的AC220V和AC110V电源。

#### 3.4 切换的自动恢复

当故障辅助变流器恢复正常后，系统不会自动切回原始状态。这是因为故障切换涉及接触器的分合操作，在机车运行中再次进行切换可能引起辅助供电的短暂中断，影响设备运行。因此，故障切换后的恢复操作需要在机车回段后，由检修人员通过微机显示屏手动操作或重新闭合辅助变流器控制电源来完成。


### 4 辅助变流系统故障的识别与应急处置

#### 4.1 故障的识别方法

辅助变流系统发生故障时，司机会通过以下途径获得信息：

微机显示屏故障信息显示。TCMS将故障信息显示在司机室微机显示屏的故障信息区域。当APU1或APU2发生故障时，对应的设备图标会由绿色变为红色，并显示具体的故障代码和故障名称。

司机室故障显示灯。在多功能状态仪表组合模块中，设有“辅助变流器故障”显示灯，当辅助变流系统发生故障时该灯点亮（红色）。

辅助设备运行异常。司机可以通过观察辅助设备的运行状态间接判断辅助变流系统是否故障。例如，牵引通风机停止运转时司机室内的通风噪音会明显减小；空气压缩机长时间不工作可能导致总风缸压力持续下降。

#### 4.2 故障后的运行注意事项

当确认一套辅助变流器故障、系统已自动切换至单组供电后，乘务员应注意以下事项：

注意总风缸压力的保持。由于切换后只有一台空气压缩机工作（操纵端的那一台），充风时间会比正常时延长一倍。乘务员应密切监视总风缸压力，提前做好充风安排，避免在需要大量用风时（如进站停车、连续制动）出现风压不足。

牵引通风机满功率运行不影响牵引性能。切换后牵引通风机以额定转速恒速运转，虽然能耗增加，但不影响牵引电动机的散热效果，牵引功率可正常发挥。

回段后及时报修。辅助变流系统故障切换后，虽然机车仍可维持运行，但已失去冗余保护。若另一套辅助变流器再发生故障，机车将丧失全部辅助供电能力。因此，乘务员在回段后应及时报修，由检修人员查找故障原因并恢复系统。

#### 4.3 库内试验时的特殊操作

在库内需要对辅助电动机进行动作及转向确认时，可通过辅助电路库用插座XSA1接入DC600V库内电源，并操作辅助电路库用转换开关QS11，进行辅助系统库内600V动作试验。为了确保所有辅机均可工作，应通过微机显示屏将辅助变流器UA11隔离，使UA12单独为全部辅助设备供电，从而模拟故障切换后的运行状态，便于全面检查各辅助电动机的转向和运行情况。


### 5 检修与维护建议

#### 5.1 定期检测项目

辅助变流系统的可靠性在很大程度上取决于其内部功率器件和控制单元的状态。建议在定期检修中重点关注以下项目：

辅助变流器输入输出特性检测。在库内试验模式下，分别测试APU1和APU2的输出电压、输出电流和输出频率，确认其在VVVF和CVCF两种方式下的输出特性符合设计要求。

故障切换功能试验。定期进行故障切换功能验证试验——通过模拟故障信号（如断开辅助变流器冷却风机自动开关BM）触发故障切换，确认KM11、KM12、KM20的动作时序正确，切换后辅助设备工作正常。

中间直流回路电压检测。测量辅助变流器中间直流回路的电压值，确认其在正常范围内（750VDC），并检查支撑电容是否有鼓包、漏液等异常现象。

#### 5.2 常见故障模式与处理

辅助变流系统常见的故障模式及处理建议如下：

输出接触器粘连。KM11、KM12或KM20在频繁分合过程中可能发生触点粘连，导致故障切换时无法正常断开或闭合。处理方法是定期检查接触器触点状态，发现烧蚀或粘连及时更换。

控制电源异常。辅助变流器的控制单元依赖DC110V控制电源工作。当控制电源电压偏低或波动较大时，可能导致控制单元误动作。应定期检查控制电源模块PSU的输出电压。

冷却风机故障。辅助变流器采用强制风冷方式，其冷却风机（APBM1、APBM2）若发生故障，将导致APU散热不良而过热保护。应定期清洁冷却风道和散热片，检查风机运转状态。

#### 5.3 系统设计的优化方向

从长期可靠性角度考虑，辅助变流系统的冗余设计仍有优化空间：

增加故障切换的手动确认环节。目前的自动切换虽然响应迅速，但在某些情况下（如临时性干扰导致的误报）可能造成不必要的切换。建议在软件逻辑中增加短暂的故障确认延时，减少误切换。

完善故障录波功能。在辅助变流器控制单元中增加故障前后波形的记录功能，便于故障后的原因分析，提高检修效率。

优化负载分配策略。在单组供电模式下，建议根据实际负载需求动态调整CVCF输出，避免长时间满负荷运行导致设备寿命缩短。


### 6 结论

HXD3型电力机车辅助变流系统的双机冗余设计，是保障机车辅助供电可靠性的关键技术措施。两套辅助变流器以VVVF和CVCF分工协同工作，正常工况下各承担约50%的辅助负载；当任一套发生故障时，TCMS自动完成负载切换，由另一套以CVCF方式承担全部负载。这一设计使得单套辅助变流器故障不会导致机车丧失牵引能力，显著提高了机车的运用可靠性。

故障切换后的降容运行模式——牵引通风机满功率恒速运转、仅一台空气压缩机工作——对乘务员的操纵提出了特殊要求。乘务员应熟悉辅助变流系统故障的识别方法，掌握切换后的运行注意事项，确保在故障状态下仍能安全地将机车维持运行至终点或回段。

在检修维护方面，应定期对辅助变流器的输入输出特性、故障切换功能和中间直流回路进行检测，重点关注输出接触器、控制电源和冷却风机的状态，确保冗余保护功能时刻处于可用状态。


参考文献

[1] 徐道象. HXD3D型机车制动机典型故障分析[J]. 机车车辆工艺, 2018(1): 45-46.

[2] HXD3型大功率交流传动电力机车培训教材.

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[4] 大功率交流传动机车辅助变流系统冗余控制技术[J]. 机车电传动, 2014.