城市軌道交通車輛系統(tǒng)牽引逆變器專用測試平臺研究*

吳 浩 王 泉 王睿軼 潘洪亮

（1.上海地鐵電子科技有限公司，200233，上海；2.同濟(jì)大學(xué)（國家）磁浮交通工程技術(shù)研究中心，201804，上海，//第一作者，高級工程師）

城市軌道交通車輛系統(tǒng)牽引逆變器專用測試平臺研究*

吳 浩1王 泉1王睿軼1潘洪亮2

（1.上海地鐵電子科技有限公司，200233，上海；2.同濟(jì)大學(xué)（國家）磁浮交通工程技術(shù)研究中心，201804，上海，//第一作者，高級工程師）

根據(jù)城市軌道交通車輛系統(tǒng)牽引逆變器的結(jié)構(gòu)組成和技術(shù)特點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了一種方便實(shí)用的車輛系統(tǒng)牽引逆變控制器專用測試平臺。詳細(xì)說明了該測試平臺的組成，闡述了測試內(nèi)容及過程。該測試平臺通過生成牽引逆變控制器主回路運(yùn)行所需要的電源輸入和功率負(fù)載以及相應(yīng)的控制邏輯，對車輛系統(tǒng)牽引逆變器主回路控制功能進(jìn)行測試，從而對牽引逆變器主回路運(yùn)行的控制邏輯和控制效果進(jìn)行離線測試，以判斷其功能是否正常以及相應(yīng)的故障情況。使用該測試平臺可實(shí)現(xiàn)牽引逆變控制器的功能快速檢測和故障快速識別，滿足牽引逆變器功能測試和故障檢測等設(shè)備大修要求。

城市軌道交通車輛；牽引逆變器；功能測試；故障檢測；專用測試平臺

牽引逆變器在城市軌道交通車輛系統(tǒng)的牽引控制中得到廣泛應(yīng)用。在長期使用過程中，其運(yùn)行故障不斷發(fā)生。根據(jù)定期維保的要求，很多城市的軌道交通車輛系統(tǒng)都將進(jìn)入大修周期［1］。車輛系統(tǒng)的牽引逆變器系統(tǒng)面臨著功能測試復(fù)雜、故障診斷難度大、設(shè)備器件更換成本高等問題［2-3］。

在牽引逆變器各組成部分中，牽引電子控制模塊、牽引逆變模塊和牽引制動模塊是最重要的。這3個模塊也是功能檢測、故障診斷以及維修更換的難點(diǎn)。目前，這些模塊的檢測主要依賴國外廠商提供的專用檢測儀器，且存在故障檢測不完備、響應(yīng)不及時等缺陷［4］。此外，傳統(tǒng)的檢測方法需將牽引逆變器安裝到動車上，采用實(shí)際運(yùn)行的方法檢測，占用了大量線路試驗(yàn)時間，為城市軌道交通車輛系統(tǒng)的正常運(yùn)行和大修保障帶來了很大難題。

本文設(shè)計(jì)了一種車輛系統(tǒng)牽引逆變控制器的專用測試平臺（以下簡稱“專用測試平臺”），可實(shí)現(xiàn)牽引逆變控制器的功能快速檢測和故障快速識別，滿足牽引逆變器功能測試和故障檢測等設(shè)備大修要求。專用測試平臺可生成牽引逆變控制器主回路運(yùn)行所需的電源輸入、功率負(fù)載及相應(yīng)控制邏輯，能實(shí)現(xiàn)對車輛系統(tǒng)牽引逆變器主回路控制功能的測試，從而實(shí)現(xiàn)對牽引逆變器主回路運(yùn)行的控制邏輯和控制效果的離線測試，進(jìn)而判斷其功能是否正常，并分析相應(yīng)的故障情況，為牽引逆變器的維修和維護(hù)帶來便利。

1 牽引逆變器概述

城市軌道交通車輛系統(tǒng)常采用的VVVF（可變頻變壓）牽引逆變器，可在牽引時可將高壓直流電變?yōu)轭l率和電壓可調(diào)的三相電供給牽引電動機(jī)使用，在制動時可把列車慣性帶動牽引電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)出的三相電能轉(zhuǎn)換為直流電反饋回電網(wǎng)或通過能量消耗模塊消耗掉［5］。

牽引逆變器由驅(qū)動控制單元（DCU）和逆變器保護(hù)單元（UNAS）控制。DCU和UNAS安裝于動車的車廂內(nèi)。DCU和IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）門極控制單元間的觸發(fā)和反饋信號采用光纖傳輸。光纖傳輸既可提高信號抗干擾能力，又有隔離作用。其他信號以電信號方式傳輸［6］。

目前，城市軌道交通車輛牽引逆變器的典型主電路主要有3種：采用1個變流器模塊驅(qū)動4臺牽引電機(jī)（1C4M）的車控方式的主電路，采用2個變流器模塊驅(qū)動4臺牽引電機(jī)（2C4M）的架控方式的主電路，以及采用2個變流器模塊驅(qū)動4臺牽引電機(jī)（2C4M）的車控方式的主電路［7］。

2 專用測試平臺結(jié)構(gòu)組成

專用測試平臺包括電源生成系統(tǒng)、控制生成系統(tǒng)和負(fù)載生成系統(tǒng)3部分，測試對象為組成牽引逆變控制器的牽引變流器單元和輔助變流器單元。專用測試平臺的系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 專用測試平臺的系統(tǒng)組成框圖

2.1 電源生成系統(tǒng)

電源生成系統(tǒng)由保護(hù)控制柜、調(diào)壓器柜、整流電源柜和隔離開關(guān)柜等組成（如圖2所示）。在進(jìn)行牽引逆變控制器功能測試和故障檢測過程中，電源生成系統(tǒng)能根據(jù)牽引變流器單元和輔助變流器單元的功率測試需要生成相應(yīng)的電源供電方案。外部電源接入測試裝置后，經(jīng)調(diào)壓器調(diào)節(jié)成0～660 V的交流電壓，通過整流電源柜三相全橋整流成0～1 800 V的直流電源。保護(hù)控制柜對電源進(jìn)行保護(hù)和控制。隔離開關(guān)柜為試驗(yàn)用電源最后一級投入與切除，并提供安全放電功能。各組成部分的主電路圖如圖3～5所示。主電路圖中，K及L為直流接觸器，F(xiàn)為熔斷器，V為電壓傳感器，A為電流傳感器，TF為隔離變壓器，R為放電電阻，T為接線端銅排。其中，整流電源柜的主電路如圖3所示。隔離開關(guān)柜的主電路如圖4所示。隔離開關(guān)柜由主隔離開關(guān)IES1，下級隔離開關(guān)IES2，IES3，及接地開關(guān) IESGND組成。隔離開關(guān)柜中投切輸入輸出主電路如圖5所示。

圖2 電源生成系統(tǒng)組成圖

圖3 整流電源柜主電路圖

圖4 隔離開關(guān)柜主電路圖

2.2 控制生成系統(tǒng)

控制生成系統(tǒng)由手動控制屏、手動控制柜、PLC（可編程邏輯控制器）控制柜、變流器控制邏輯適配器及PC端測試控制軟件等組成（如圖6所示）。

控制生成系統(tǒng)能根據(jù)牽引逆變器功能測試和故障檢測的要求，產(chǎn)生相應(yīng)的測試控制邏輯和反饋信號檢測，并進(jìn)行測試檢測結(jié)果的邏輯判斷。專用測試平臺提供自動和手動兩種控制方式。PLC控制柜負(fù)責(zé)自動控制，手動控制柜和手動控制屏負(fù)責(zé)手動控制。

圖5 隔離開關(guān)柜的投切輸入輸出主電路圖

圖6 控制生成系統(tǒng)組成圖

2.3 負(fù)載生成系統(tǒng)

負(fù)載生成系統(tǒng)由中間接觸器模塊、制動電阻負(fù)載、牽引電機(jī)負(fù)載、蓄電池負(fù)載及輔逆電阻負(fù)載等組成（如圖7所示）。

圖7 負(fù)載生成系統(tǒng)組成圖

牽引電機(jī)負(fù)載模擬牽引逆變器的電機(jī)負(fù)載，可作為牽引變流器單元輕載出力試驗(yàn)的負(fù)載。輔逆電阻負(fù)載模擬輔助變流器單元的電阻負(fù)載，可作為輔助變流器交流輕載出力測試的負(fù)載。制動電阻負(fù)載作為牽引逆變器再生制動功能測試的負(fù)載。蓄電池負(fù)載除可測試輔助變流器交流輕載出力外，還可作為中間接觸器控制使用。中間接觸器模塊提供相應(yīng)的控制功能。

圖8為牽引逆變器模擬電機(jī)負(fù)載的牽引變流器負(fù)載主電路。牽引逆變器負(fù)載電路使用感性阻性負(fù)載測試其出力。

圖8 牽引變流器負(fù)載主電路

圖9 表示的是輔助變流器負(fù)載主電路。輔助變流器負(fù)載電路三相交流輸出使用純阻性負(fù)載測試其出力。直流輸出使用純電阻及蓄電池組作為負(fù)載。

圖9 輔助變流器負(fù)載主電路

3 測試內(nèi)容及過程

3.1 測試內(nèi)容

專用測試平臺測試內(nèi)容包括：

（1）對功率模塊進(jìn)行靜態(tài)測試：對某一相的上臂或下臂的單個IGBT進(jìn)行飽和電流測試，測試IGBT的相應(yīng)特性。

（2）對牽引模塊進(jìn)行逆變測試：向牽引逆變器功率模塊輸出連續(xù)PWM波形，控制IGBT開關(guān)，測試牽引變流器單元帶載情況下的IGBT的連續(xù)工作狀態(tài)。

（3）對制動模塊進(jìn)行斬波測試：向牽引逆變器功率模塊輸出連續(xù)PWM（脈寬調(diào)制）波形，控制IGBT開關(guān)，測試PIM2模塊帶載情況下IGBT的連續(xù)工作狀態(tài)。

3.2 測試過程

牽引逆變控制器專用測試平臺的實(shí)施過程可分為系統(tǒng)初始化、人工手動控制測試和PLC自動控制測試3個環(huán)節(jié)。

3.2.1 系統(tǒng)初始化

牽引逆變控制器專用測試平臺上電后，先由控制生成系統(tǒng)生成牽引逆變器的啟動仿真信號，再實(shí)行一系列的測試裝置初始化過程。具體過程為：

（1）對測試裝置設(shè)備進(jìn)行初始化設(shè)置。具體包括電源生成系統(tǒng)、功率生成系統(tǒng)、手動控制屏、手動控制柜、PLC控制柜、變流器控制邏輯適配器及PC端測試控制軟件等各組成部分的初始化。使測試裝置各組成部分在低壓狀態(tài)下進(jìn)行自檢，以確認(rèn)測試裝置工作狀態(tài)正常。

（2）對牽引控制器進(jìn)行初始化自檢，進(jìn)行牽引逆變控制器與測試裝置的通信狀態(tài)自檢測。

（3）檢測牽引控制器是否正常接收牽引及制動、惰行等硬線指令，檢測牽引控制器發(fā)送給車輛的硬點(diǎn)信號是否正常。

（4）在低壓狀態(tài)下，對測試裝置各組成設(shè)備進(jìn)行功能自檢測（如接地狀態(tài)檢測、高壓電源開關(guān)檢測、高速斷路器動作檢測、線路接觸器動作檢測等）。

3.2.2 人工手動控制測試

牽引逆變控制器專用測試平臺的人工手動控制測試具體過程為：

（1）電源系統(tǒng)手動控制：測試裝置總電源與控制系統(tǒng)上電，操作調(diào)壓器柜的主電源升壓與降壓，將電源電壓調(diào)節(jié)到1 500 V。

（2）負(fù)載系統(tǒng)手動控制：投入負(fù)載冷卻系統(tǒng)，根據(jù)測試需要，實(shí)時對單個設(shè)備進(jìn)行操作，手動操作各負(fù)載投入與切除。

（3）對牽引逆變器冷卻進(jìn)行控制：操作測試裝置給牽引逆變器冷卻風(fēng)機(jī)供電，并手動操作牽引逆變器控制箱使冷卻風(fēng)機(jī)工作。

（4）對牽引逆變控制器的手動控制：通過硬線信號向牽引逆變控制系統(tǒng)提供牽引、制動、前行及后退等牽引指令，同時給出牽引力大小及速度指令，并觀察牽引逆變控制器的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2.3 PLC自動控制測試

自動控制測試的步驟為：牽引逆變控制器低壓自檢測試→電源系統(tǒng)啟動→電壓自動調(diào)整至1 500 V→給牽引逆變控制器供電→投入相應(yīng)負(fù)載→給牽引逆變控制器牽引力指令、速度指令。

（1）負(fù)載生成系統(tǒng)的自動控制：根據(jù)牽引逆變控制器的運(yùn)行工況，實(shí)時自動投入或切除相應(yīng)的負(fù)載。

（2）牽引逆變控制器的自動控制：通過PLC將信號發(fā)至牽引逆變控制器與測試裝置；不斷切換網(wǎng)壓側(cè)電壓及牽引力大小，從而獲得不同輸入電壓及輸出百分比下對牽引逆變控制器的影響及模擬負(fù)載的輸出電流；確認(rèn)所測試的牽引逆變控制器是否功能正常。

在自動控制測試控制過程中，一系列的傳感器和檢測電路將控制結(jié)果反饋給PLC控制柜，經(jīng)過處理后生成的檢測信號被發(fā)送給PC端測試控制軟件，以進(jìn)行測試效果判斷。

4 結(jié)語

專用測試平臺通過生成牽引逆變控制器主回路運(yùn)行所需要的電源輸入功率負(fù)載及相應(yīng)的控制邏輯，能實(shí)現(xiàn)對車輛系統(tǒng)牽引逆變器主回路控制功能進(jìn)行測試，從而實(shí)現(xiàn)對牽引逆變器主回路運(yùn)行的控制邏輯和控制效果進(jìn)行離線測試，以判斷其功能是否正常，并分析相應(yīng)的故障情況。

與現(xiàn)有技術(shù)和檢測手段相比，專用測試平臺充分考慮了牽引逆變器工作條件和控制流程，模擬牽引逆變器實(shí)際工作狀況和運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了牽引變流器和輔助變流器的功能測試和故障診斷，能夠?qū)崿F(xiàn)快速功能測試和故障檢測。通過專用測試平臺的離線檢測，可節(jié)約大量的線路占用時間，還可簡化安裝操作流程等，從而節(jié)約成本、提高效率，大大提高了城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)行能力和維修保障能力。

專用測試平臺可推廣應(yīng)用于城市軌道交通牽引逆變器的設(shè)備檢測和維修保障，方便維護(hù)技術(shù)人員快速掌握牽引逆變器的功能狀態(tài)和故障情況，實(shí)現(xiàn)牽引逆變器的快速維修。

［1］ 山厚升.輕軌列車牽引逆變系統(tǒng)幾種故障原因分析［C］//大連理工大學(xué)，大連交通大學(xué)，中國旅美交通協(xié)會.第六屆交通運(yùn)輸領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)會議論文集（下卷）.大連：大連理工大學(xué)，大連交通大學(xué)，中國旅美交通協(xié)會,2006：6.

［2］ 朱小娟，陶生桂.AC01/02型電動列車牽引逆變器測試裝置研制［J］.城市軌道交通研究，2008，11（12）：39.

［3］ 平建祥.ONIX1500型牽引逆變器IGBT驅(qū)動匹配技術(shù)研究［J］.中國設(shè)備工程，2014（11）：40.

［4］ 吳茂杉.國內(nèi)城軌車輛電傳動系統(tǒng)主要問題分析［J］.變流技術(shù)與電力牽引，2007（1）：7.

［5］ 翁星方，忻力，胡家喜，等.簡統(tǒng)化地鐵車輛 IGBT牽引逆變器［J］.機(jī)車電傳動，2011（3）：44.

［6］ 胡引娥，程有平.廣州地鐵 1號線車輛的牽引逆變器［J］.機(jī)車電傳動，2003（1）：42.

［7］ 翁星方，鄒檔兵.城市軌道交通車輛牽引逆變器的技術(shù)發(fā)展［J］.機(jī)車電傳動，2012（1）：47.

Special Test Platform for Traction Inverter of Urban Rail Transit Vehicle System

WU Hao，WANG Quan，WANG Ruiyi，PAN Hongliang

According to the structural and technical characters of traction inverter，a convenient and practical test platform for traction inverterofurban railtransitvehicle system is designed.In this paper,the structure and test content of the platform are described，which tests the control functions of the traction inverter system （MLTIS）on the main loop，through generating the power input and power load needed by MLTIS，and the corresponding control logic.The platform runs offline test for control logic and control effects of MLTIS to determine whether the traction inverters′function is normal so as to identify the related faults.This platform could detect inverters′functions quickly and identity the faults of traction inverter controller，finally meet the overhaul requirements of function test and fault detection of traction inverters and other equipment.

urban rail transit vehicle； traction inverter；functional testing；fault detection；special test platform

First-author′s addressShanghai Metro Electronic Technology Co.，Ltd.，200233，Shanghai，China

U264.3+7；TM464

10.16037/j.1007-869x.2017.12.021

*上海申通地鐵集團(tuán)科研項(xiàng)目（JS-KY12R023）

2016-12-25）