地鐵車輛主牽引逆變器及其測試裝置研制

1 概述

　　上海地鐵三號線的AC03 型電動列車，是于21 世紀(jì)初引進的，由法國ALSTOM 公司制造的交流傳動車輛，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 型電動車主牽引逆變器電路結(jié)構(gòu)與其他進口的交流傳動車輛基本相似，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)動電路；下部為IGBT模塊及底座散熱器。

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

　　AC03 型電動列車至今運營已近10 年，運營過程中，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試裝置對其進行檢測，以查找相應(yīng)的問題，以便對主牽引逆變器進行檢修與維護。

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。

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

　　1）上部主電路由6個IGBT模塊構(gòu)成三相逆變電路，即VVVF，此外還有4 個IGBT 模塊構(gòu)成制動斬波電路，與三相逆變電路是分開的（見圖1 中PIM2）。

　　2）中部的驅(qū)動電路板，對應(yīng)每個IGBT都有一個柵極驅(qū)動電路，在每個電路中還帶有自身的狀態(tài)反饋信號和故障信息，這些反饋信息均要反饋給計算機（AGAT）用于處理與判斷。此外每個LV 接口連接器負(fù)責(zé)一相橋臂的兩個驅(qū)動電路，如LV1 負(fù)責(zé)PH1相的上管T1和下管T4的驅(qū)動電路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)動電路板供電，用于產(chǎn)生在電氣上與輸入信號的控制電路隔離的兩路驅(qū)動電源，導(dǎo)通時DC 垣15 V，關(guān)斷時DC -12V，另外，在電源電路板上也有故障與保護信息，同樣反饋給計算機用于處理與判斷。電源的接口連接器為LV5。

　　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LV1、2、3、5 連接器來實現(xiàn)。

　　因為制動斬波器模塊電路結(jié)構(gòu)與逆變器模塊相似，通過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)動電路板供電。電源板正常時，在輸入端輸入直流電壓48 V時，用示波器測試輸出端，應(yīng)該測得35 kHz、依24 V的交流方波電源，波形如圖4 所示。

　　2.2.2 驅(qū)動電路板

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

3 牽引逆變器IGBT模塊測試裝置

　　3.1 測試裝置結(jié)構(gòu)分析

　　所研制的逆變器測試裝置的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)框圖如圖5 所示。強電部分主要是高壓直流電源、LEM傳感器、模擬負(fù)載和被試對象等；控制臺是測試與控制的核心，主要由數(shù)據(jù)采集卡、計算機、調(diào)理電路及其他部件等構(gòu)成；通過編寫測控專業(yè)軟件LabVIEW8.5，能實時分析所測數(shù)據(jù)和波形并將其存盤或打印，還能實現(xiàn)測試過程的手動完成。

　　此逆變器測試裝置測試功能齊全，能對一個IGBT模塊、或一相（即一個橋臂）或三相分別進行測試；不僅可以實現(xiàn)高壓測試，而且還可進行低壓測試，即無損測試。一般，對有故障的IGBT模塊，先是進行無損檢測，待查出問題修復(fù)后，再實施高壓測試。

　　3.2 測試步驟與測試分析

　　可用便攜式測試儀先進行低壓測試。

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

　　2）測試驅(qū)動電路板。輸入驅(qū)動信號，AC03 型電動列車上IGBT 牽引逆變器的驅(qū)動信號是依10耀15 V的方波電壓信號，如圖6 所示，波形上的零線寬度對應(yīng)一橋臂上、下管的死區(qū)時間，是可調(diào)的（此圖為清楚起見進行了放大，實際上很小），在驅(qū)動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。

　　3）測試功率模塊。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。

　?。?）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)動信號是由對應(yīng)的接口連接器LV的插針（5，6）輸入的，而上、下管對應(yīng)的兩塊驅(qū)動電路板的驅(qū)動信號應(yīng)是互反的，這也就保證上、下管只能有一個管導(dǎo)通，同時輸入的驅(qū)動信號也要確保上、下管之間有一個死區(qū)時間。如果插針5、6 上輸入驅(qū)動信號500 Hz、垣10 V的方波電壓時，上管T1 導(dǎo)通，則用示波器測試負(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，測得的波形如圖8 所示；此時T4管是關(guān)斷的，即截止的。

　?。?）僅下管T4 導(dǎo)通如果將插針5、6 上的輸入信號反接一下，即原來5 為“+”、6 為“0”，現(xiàn)是6為“+”、5 為“0”，此時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。

　?。?）上、下管交替導(dǎo)通在確認(rèn)上、下管對應(yīng)的驅(qū)動電路功能正常時，才可進行上、下管交替導(dǎo)通的測試。在LV插針5、6上輸入500 Hz、依10 V的交流方波電壓驅(qū)動信號，要求從+10 V變到-10 V時必須經(jīng)過“0”電平，而且“0”電平的維持時間至少要大于死區(qū)時間，這樣就會使上、下管交替導(dǎo)通。由示波器測得的負(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”電平段對應(yīng)輸入信號的“0”電平段，也即上、下管的死區(qū)時間。

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

　　如對于故障模塊上的IGBT有疑慮時，可對其進一步實施高壓測試。在上高壓測試時，按圖5所示，將主牽引逆變器IBGT模塊連接在“被試對象”環(huán)節(jié)處，然后在控制臺上進行測試操作，通過顯示器上顯示所需的電壓、電流波形，需要時可進行記錄或打印保存。在控制臺上進行高壓測試并打印保存測試波形的格式如圖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，表示控制臺工作正常。

4 結(jié)語

　　應(yīng)用所研制的測試裝置，可以對AC03 型電動列車用的主牽引逆變器IGBT 模塊電路進行測試與分析。因測試裝置測試功能齊全，又有便攜式測試儀，所以運營維護部門應(yīng)用相當(dāng)方便，而且顯著地提高了檢修和維護的效率。