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模塊構成的，主電路的構成如圖1所示。AC03 型電動車主牽引逆變器電路結構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，外形結構如圖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構類似，但與逆變器模塊分開組裝，斬波器的開關頻率為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 牽引逆變器模塊結構及其工作原理

　　2.1 牽引逆變器模塊結構及其電路分析

　　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，牽引逆變器模塊結構可分為以下幾個部分。

　　1）上部主電路由6個IGBT模塊構成三相逆變電路，即VVVF，此外還有4 個IGBT 模塊構成制動斬波電路，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 接口連接器負責一相橋臂的兩個驅(qū)動電路，如LV1 負責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，導通時DC 垣15 V，關斷時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構與逆變器模塊相似，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 和關斷時反偏置電壓DC -12 V。此時當驅(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 測試裝置結構分析

　　所研制的逆變器測試裝置的結構及系統(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導通牽引逆變器一相逆變橋（由上管與下管構成）的驅(qū)動信號是由對應的接口連接器LV的插針（5，6）輸入的，而上、下管對應的兩塊驅(qū)動電路板的驅(qū)動信號應是互反的，這也就保證上、下管只能有一個管導通，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 導通，則用示波器測試負載電阻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管是關斷的，即截止的。

　?。?）僅下管T4 導通如果將插針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、下管交替導通在確認上、下管對應的驅(qū)動電路功能正常時，才可進行上、下管交替導通的測試。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、下管交替導通。由示波器測得的負載電阻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果進行比較，可以判斷分析其所存在的問題，從而進行修復。修復后再進行測試檢查，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 結語

　　應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用相當方便，而且顯著地提高了檢修和維護的效率。