地鐵車(chē)輛主牽引逆變器及測(cè)試裝置研制 - 全文

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　　1 概述

　　上海地鐵三號(hào)線的AC03 型電動(dòng)列車(chē)，是于21 世紀(jì)初引進(jìn)的，由法國(guó)ALSTOM 公司制造的交流傳動(dòng)車(chē)輛，其主牽引逆變器是采用1 200 A/3 300 V IGBT模塊構(gòu)成的，主電路的構(gòu)成如圖1所示。AC03 型電動(dòng)車(chē)主牽引逆變器電路結(jié)構(gòu)與其他進(jìn)口的交流傳動(dòng)車(chē)輛基本相似，但區(qū)別是在OV與地之間安裝了一種低感的干式金屬膜濾波電容，電容參數(shù)是6.8 滋F/640 V，以減弱高頻輻射的電磁干擾(EMI)。

　　圖1 中的PIM1 是牽引逆變器的三相IGBT逆變器模塊，型號(hào)為ONIX 1500 IGBT，外形結(jié)構(gòu)如圖2 所示，上部為濾波電容，濾波電感安裝在逆變器箱體內(nèi);中部是控制電路與驅(qū)動(dòng)電路;下部為IGBT模塊及底座散熱器。

　　圖1 中的PIM2 為制動(dòng)斬波模塊，用于電制動(dòng)狀態(tài)下能量不能反饋給電網(wǎng)時(shí)，通過(guò)PIM2 將制動(dòng)能量消耗在制動(dòng)電阻上。制動(dòng)斬波模塊與逆變器模塊結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但與逆變器模塊分開(kāi)組裝，斬波器的開(kāi)關(guān)頻率為650 Hz;由圖1 看出，斬波器模塊由4 個(gè)IGBT組成，其中兩個(gè)IGBT并聯(lián)作斬波器使用，另兩個(gè)IGBT作為制動(dòng)電阻的續(xù)流管使用。

　　AC03 型電動(dòng)列車(chē)至今運(yùn)營(yíng)已近10 年，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，主牽引逆變器的IGBT模塊也常有故障出現(xiàn)，所以需要配備合適的測(cè)試裝置對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以查找相應(yīng)的問(wèn)題，以便對(duì)主牽引逆變器進(jìn)行檢修與維護(hù)。

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　　2 牽引逆變器模塊結(jié)構(gòu)及其工作原理

　　2.1 牽引逆變器模塊結(jié)構(gòu)及其電路分析

　　牽引逆變器IGBT 模塊的主電路及其控制電路框圖如圖3所示。

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　　根據(jù)圖3，牽引逆變器模塊結(jié)構(gòu)可分為以下幾個(gè)部分。

　　1)上部主電路由6個(gè)IGBT模塊構(gòu)成三相逆變電路，即VVVF，此外還有4 個(gè)IGBT 模塊構(gòu)成制動(dòng)斬波電路，與三相逆變電路是分開(kāi)的(見(jiàn)圖1 中PIM2)。

　　2)中部的驅(qū)動(dòng)電路板，對(duì)應(yīng)每個(gè)IGBT都有一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電路，在每個(gè)電路中還帶有自身的狀態(tài)反饋信號(hào)和故障信息，這些反饋信息均要反饋給計(jì)算機(jī)(AGAT)用于處理與判斷。此外每個(gè)LV 接口連接器負(fù)責(zé)一相橋臂的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，如LV1 負(fù)責(zé)PH1相的上管T1和下管T4的驅(qū)動(dòng)電路1與4。

　　3)下部的交流方波電源，輸入直流電壓48 V，輸出35 kHz、依24 V的交流方波電源，給驅(qū)動(dòng)電路板供電，用于產(chǎn)生在電氣上與輸入信號(hào)的控制電路隔離的兩路驅(qū)動(dòng)電源，導(dǎo)通時(shí)DC 垣15 V，關(guān)斷時(shí)DC -12V，另外，在電源電路板上也有故障與保護(hù)信息，同樣反饋給計(jì)算機(jī)用于處理與判斷。電源的接口連接器為L(zhǎng)V5。

　　此外，由圖3 看出，三相逆變器模塊與外部連接的接口有：在主電路方面有P、N、PH1-3(輸出的三相交流端)及地線;在控制電路方面，通過(guò)LV1、2、3、5 連接器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　因?yàn)橹苿?dòng)斬波器模塊電路結(jié)構(gòu)與逆變器模塊相似，通過(guò)LV4 連接器與控制電路相接，所以在此不再作以介紹。

　　2.2 控制電路分析

　　2.2.1 交流方波電源板

　　交流方波電源板用以給驅(qū)動(dòng)電路板供電。電源板正常時(shí)，在輸入端輸入直流電壓48 V時(shí)，用示波器測(cè)試輸出端，應(yīng)該測(cè)得35 kHz、依24 V的交流方波電源，波形如圖4 所示。

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　　2.2.2 驅(qū)動(dòng)電路板

　　驅(qū)動(dòng)電路板工作正常時(shí)，將35 kHz、依24 V的交流方波電源施加到驅(qū)動(dòng)電路板的高頻變壓器的輸入端后，其兩路二次側(cè)繞組通過(guò)整流與穩(wěn)壓，得到兩路電氣上隔離的驅(qū)動(dòng)電源，即正向?qū)妷篋C 垣15 V 和關(guān)斷時(shí)反偏置電壓DC -12 V。此時(shí)當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)未輸入時(shí)，施以IGBT 的柵極電壓為反偏置電壓，約為DC -12 V;當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)加入后，在輸出端將得到驅(qū)動(dòng)IGBT的電壓信號(hào)VGE。

　　3 牽引逆變器IGBT模塊測(cè)試裝置

　　3.1 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)分析

　　所研制的逆變器測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)框圖如圖5 所示。強(qiáng)電部分主要是高壓直流電源、LEM傳感器、模擬負(fù)載和被試對(duì)象等;控制臺(tái)是測(cè)試與控制的核心，主要由數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)、調(diào)理電路及其他部件等構(gòu)成;通過(guò)編寫(xiě)測(cè)控專業(yè)軟件LabVIEW8.5，能實(shí)時(shí)分析所測(cè)數(shù)據(jù)和波形并將其存盤(pán)或打印，還能實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的手動(dòng)完成。

　　此逆變器測(cè)試裝置測(cè)試功能齊全，能對(duì)一個(gè)IGBT模塊、或一相(即一個(gè)橋臂)或三相分別進(jìn)行測(cè)試;不僅可以實(shí)現(xiàn)高壓測(cè)試，而且還可進(jìn)行低壓測(cè)試，即無(wú)損測(cè)試。一般，對(duì)有故障的IGBT模塊，先是進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，待查出問(wèn)題修復(fù)后，再實(shí)施高壓測(cè)試。

　　3.2 測(cè)試步驟與測(cè)試分析

　　可用便攜式測(cè)試儀先進(jìn)行低壓測(cè)試。

　　1)測(cè)試交流方波電源板。測(cè)試加入DC 48 V后輸出端是否為依24 V、35 kHz 的方波電壓。

　　2)測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路板。輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)，AC03 型電動(dòng)列車(chē)上IGBT 牽引逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是依10耀15 V的方波電壓信號(hào)，如圖6 所示，波形上的零線寬度對(duì)應(yīng)一橋臂上、下管的死區(qū)時(shí)間，是可調(diào)的(此圖為清楚起見(jiàn)進(jìn)行了放大，實(shí)際上很小)，在驅(qū)動(dòng)電路板的輸出端得到相同的電壓波形VGE，只是反壓幅值為-12 V。

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　　3)測(cè)試功率模塊。如圖7 所示，由一相(如PH1 相)的逆變橋連成半橋式逆變電路，圖中T1為上管，T4 為下管，R 為純電阻負(fù)載(約100 贅)E1、E2為直流電源，約在DC 15耀24 V之間。

　　(1)僅上管T1導(dǎo)通牽引逆變器一相逆變橋(由上管與下管構(gòu)成)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由對(duì)應(yīng)的接口連接器LV的插針(5，6)輸入的，而上、下管對(duì)應(yīng)的兩塊驅(qū)動(dòng)電路板的驅(qū)動(dòng)信號(hào)應(yīng)是互反的，這也就保證上、下管只能有一個(gè)管導(dǎo)通，同時(shí)輸入的驅(qū)動(dòng)信號(hào)也要確保上、下管之間有一個(gè)死區(qū)時(shí)間。如果插針5、6 上輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)500 Hz、垣10 V的方波電壓時(shí)，上管T1 導(dǎo)通，則用示波器測(cè)試負(fù)載電阻R上的波形，VR就是幅值為E1 的相同脈寬(占空比約為50%)的方波電壓，測(cè)得的波形如圖8 所示;此時(shí)T4管是關(guān)斷的，即截止的。

　　(2)僅下管T4 導(dǎo)通如果將插針5、6 上的輸入信號(hào)反接一下，即原來(lái)5 為“+”、6 為“0”，現(xiàn)是6為“+”、5 為“0”，此時(shí)T1截止，T4導(dǎo)通。用示波器觀察電阻R 上波形，VR 將是幅值為E2 的反向的方波電壓波形。

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　　(3)上、下管交替導(dǎo)通在確認(rèn)上、下管對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路功能正常時(shí)，才可進(jìn)行上、下管交替導(dǎo)通的測(cè)試。在LV插針5、6上輸入500 Hz、依10 V的交流方波電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)，要求從+10 V變到-10 V時(shí)必須經(jīng)過(guò)“0”電平，而且“0”電平的維持時(shí)間至少要大于死區(qū)時(shí)間，這樣就會(huì)使上、下管交替導(dǎo)通。由示波器測(cè)得的負(fù)載電阻R 上的電壓波形，VR變?yōu)榉凳?E1、-E2 的同頻同寬的交流方波電壓波形，如圖9 所示。圖上的“0”電平段對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)的“0”電平段，也即上、下管的死區(qū)時(shí)間。

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　　通過(guò)對(duì)故障模塊的電氣性能測(cè)試并與功能正常的模塊的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，可以判斷分析其所存在的問(wèn)題，從而進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)后再進(jìn)行測(cè)試檢查，如測(cè)試一切正常，表明牽引逆變器IGBT 模塊功能已恢復(fù)正常。

　　如對(duì)于故障模塊上的IGBT有疑慮時(shí)，可對(duì)其進(jìn)一步實(shí)施高壓測(cè)試。在上高壓測(cè)試時(shí)，按圖5所示，將主牽引逆變器IBGT模塊連接在“被試對(duì)象”環(huán)節(jié)處，然后在控制臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試操作，通過(guò)顯示器上顯示所需的電壓、電流波形，需要時(shí)可進(jìn)行記錄或打印保存。在控制臺(tái)上進(jìn)行高壓測(cè)試并打印保存測(cè)試波形的格式如圖10所示。圖中上部自左到右1耀4，下部為5耀8。其中，1耀3 為三相電流波形，由于主電路被連接成半橋式逆變電路，1 與3的相電流是相等且相反的，中間相2是不流過(guò)電流的，故為零。4和5為線電壓且相等。6和7 為中間電路的直流電壓和中間電路的電流。8 上顯示有波形，表示控制臺(tái)工作正常。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　應(yīng)用所研制的測(cè)試裝置，可以對(duì)AC03 型電動(dòng)列車(chē)用的主牽引逆變器IGBT 模塊電路進(jìn)行測(cè)試與分析。因測(cè)試裝置測(cè)試功能齊全，又有便攜式測(cè)試儀，所以運(yùn)營(yíng)維護(hù)部門(mén)應(yīng)用相當(dāng)方便，而且顯著地提高了檢修和維護(hù)的效率。