地铁车辆主牵引逆变器及其测试装置研制

1 概述
   　　上海地铁三号线的AC03 型电动列车，是于21 世纪初引进的，由法国ALSTOM 公司制造的交流传动车辆，其主牵引逆变器是采用1 200 A/3 300 V IGBT模块构成的，主电路的构成如图1所示。AC03 型电动车主牵引逆变器电路结构与其他进口的交流传动车辆基本相似，但区别是在OV与地之间安装了一种低感的干式金属膜滤波电容，电容参数是6.8 滋F/640 V，以减弱高频辐射的电磁干扰（EMI）。
   　　图1 中的PIM1 是牵引逆变器的三相IGBT逆变器模块，型号为ONIX 1500 IGBT，外形结构如图2 所示，上部为滤波电容，滤波电感安装在逆变器箱体内；中部是控制电路与驱动电路；下部为IGBT模块及底座散热器。
   
   
   　　图1 中的PIM2 为制动斩波模块，用于电制动状态下能量不能反馈给电网时，通过PIM2 将制动能量消耗在制动电阻上。制动斩波模块与逆变器模块结构类似，但与逆变器模块分开组装，斩波器的开关频率为650 Hz；由图1 看出，斩波器模块由4 个IGBT组成，其中两个IGBT并联作斩波器使用，另两个IGBT作为制动电阻的续流管使用。
   　　AC03 型电动列车至今运营已近10 年，运营过程中，主牵引逆变器的IGBT模块也常有故障出现，所以需要配备合适的测试装置对其进行检测，以查找相应的问题，以便对主牵引逆变器进行检修与维护。
   2 牵引逆变器模块结构及其工作原理
   　　2.1 牵引逆变器模块结构及其电路分析
   　　牵引逆变器IGBT 模块的主电路及其控制电路框图如图3所示。
   
   　　根据图3，牵引逆变器模块结构可分为以下几个部分。
   　　1）上部主电路由6个IGBT模块构成三相逆变电路，即VVVF，此外还有4 个IGBT 模块构成制动斩波电路，与三相逆变电路是分开的（见图1 中PIM2）。
   　　2）中部的驱动电路板，对应每个IGBT都有一个栅极驱动电路，在每个电路中还带有自身的状态反馈信号和故障信息，这些反馈信息均要反馈给计算机（AGAT）用于处理与判断。此外每个LV 接口连接器负责一相桥臂的两个驱动电路，如LV1 负责PH1相的上管T1和下管T4的驱动电路1与4。
   　　3）下部的交流方波电源，输入直流电压48 V，输出35 kHz、依24 V的交流方波电源，给驱动电路板供电，用于产生在电气上与输入信号的控制电路隔离的两路驱动电源，导通时DC 垣15 V，关断时DC -12V，另外，在电源电路板上也有故障与保护信息，同样反馈给计算机用于处理与判断。电源的接口连接器为LV5。
   　　此外，由图3 看出，三相逆变器模块与外部连接的接口有：在主电路方面有P、N、PH1-3（输出的三相交流端）及地线；在控制电路方面，通过LV1、2、3、5 连接器来实现。
   　　因为制动斩波器模块电路结构与逆变器模块相似，通过LV4 连接器与控制电路相接，所以在此不再作以介绍。
   　　2.2 控制电路分析
   　　2.2.1 交流方波电源板
   　　交流方波电源板用以给驱动电路板供电。电源板正常时，在输入端输入直流电压48 V时，用示波器测试输出端，应该测得35 kHz、依24 V的交流方波电源，波形如图4 所示。
   
   　　2.2.2 驱动电路板
   　　驱动电路板工作正常时，将35 kHz、依24 V的交流方波电源施加到驱动电路板的高频变压器的输入端后，其两路二次侧绕组通过整流与稳压，得到两路电气上隔离的驱动电源，即正向导通电压DC 垣15 V 和关断时反偏置电压DC -12 V。此时当驱动信号未输入时，施以IGBT 的栅极电压为反偏置电压，约为DC -12 V；当驱动信号加入后，在输出端将得到驱动IGBT的电压信号VGE。
   3 牵引逆变器IGBT模块测试装置
   　　3.1 测试装置结构分析
   　　所研制的逆变器测试装置的结构及系统框图如图5 所示。强电部分主要是高压直流电源、LEM传感器、模拟负载和被试对象等；控制台是测试与控制的核心，主要由数据采集卡、计算机、调理电路及其他部件等构成；通过编写测控专业软件LabVIEW8.5，能实时分析所测数据和波形并将其存盘或打印，还能实现测试过程的手动完成。
   
   　　此逆变器测试装置测试功能齐全，能对一个IGBT模块、或一相（即一个桥臂）或三相分别进行测试；不仅可以实现高压测试，而且还可进行低压测试，即无损测试。一般，对有故障的IGBT模块，先是进行无损检测，待查出问题修复后，再实施高压测试。
   　　3.2 测试步骤与测试分析
   　　可用便携式测试仪先进行低压测试。
   　　1）测试交流方波电源板。测试加入DC 48 V后输出端是否为依24 V、35 kHz 的方波电压。
   　　2）测试驱动电路板。输入驱动信号，AC03 型电动列车上IGBT 牵引逆变器的驱动信号是依10耀15 V的方波电压信号，如图6 所示，波形上的零线宽度对应一桥臂上、下管的死区时间，是可调的（此图为清楚起见进行了放大，实际上很小），在驱动电路板的输出端得到相同的电压波形VGE，只是反压幅值为-12 V。
   
   　　3）测试功率模块。如图7 所示，由一相（如PH1 相）的逆变桥连成半桥式逆变电路，图中T1为上管，T4 为下管，R 为纯电阻负载（约100 赘）E1、E2为直流电源，约在DC 15耀24 V之间。
   
   　　（1）仅上管T1导通牵引逆变器一相逆变桥（由上管与下管构成）的驱动信号是由对应的接口连接器LV的插针（5，6）输入的，而上、下管对应的两块驱动电路板的驱动信号应是互反的，这也就保证上、下管只能有一个管导通，同时输入的驱动信号也要确保上、下管之间有一个死区时间。如果插针5、6 上输入驱动信号500 Hz、垣10 V的方波电压时，上管T1 导通，则用示波器测试负载电阻R上的波形，VR就是幅值为E1 的相同脉宽（占空比约为50%）的方波电压，测得的波形如图8 所示；此时T4管是关断的，即截止的。
   
   　　（2）仅下管T4 导通如果将插针5、6 上的输入信号反接一下，即原来5 为“+”、6 为“0”，现是6为“+”、5 为“0”，此时T1截止，T4导通。用示波器观察电阻R 上波形，VR 将是幅值为E2 的反向的方波电压波形。
   　　（3）上、下管交替导通在确认上、下管对应的驱动电路功能正常时，才可进行上、下管交替导通的测试。在LV插针5、6上输入500 Hz、依10 V的交流方波电压驱动信号，要求从+10 V变到-10 V时必须经过“0”电平，而且“0”电平的维持时间至少要大于死区时间，这样就会使上、下管交替导通。由示波器测得的负载电阻R 上的电压波形，VR变为幅值是+E1、-E2 的同频同宽的交流方波电压波形，如图9 所示。图上的“0”电平段对应输入信号的“0”电平段，也即上、下管的死区时间。
   
   　　通过对故障模块的电气性能测试并与功能正常的模块的测试结果进行比较，可以判断分析其所存在的问题，从而进行修复。修复后再进行测试检查，如测试一切正常，表明牵引逆变器IGBT 模块功能已恢复正常。
   　　如对于故障模块上的IGBT有疑虑时，可对其进一步实施高压测试。在上高压测试时，按图5所示，将主牵引逆变器IBGT模块连接在“被试对象”环节处，然后在控制台上进行测试操作，通过显示器上显示所需的电压、电流波形，需要时可进行记录或打印保存。在控制台上进行高压测试并打印保存测试波形的格式如图10所示。图中上部自左到右1耀4，下部为5耀8。其中，1耀3 为三相电流波形，由于主电路被连接成半桥式逆变电路，1 与3的相电流是相等且相反的，中间相2是不流过电流的，故为零。4和5为线电压且相等。6和7 为中间电路的直流电压和中间电路的电流。8 上显示有波形，表示控制台工作正常。
   
   4 结语
   　　应用所研制的测试装置，可以对AC03 型电动列车用的主牵引逆变器IGBT 模块电路进行测试与分析。因测试装置测试功能齐全，又有便携式测试仪，所以运营维护部门应用相当方便，而且显着地提高了检修和维护的效率。