蘇州地鐵牽引逆變器大修維修策略研究

李蘇隴

摘要：隨著城市建設的飛速發展，作為改善各大、中城市交通狀況的城市軌道交通系統迎來了一段飛速發展期。作為運輸主體的地鐵車輛的中、大修維護逐漸成為各地鐵公司重點研究的課題。本文內容主要對蘇州1號線牽引逆變器大修的維修方式、策略制訂等進行分析闡述，為后續項目牽引系統大修維護提供必要的理論依據。

關鍵詞：城軌車輛;牽引逆變器;大修;維修策略

一、引言

蘇州軌道交通1號線自2012年4月28日開始運營至2020年底，運營時長近9年，主線車輛運營里程近100萬公里。運營時長及運營里程兩項指標均接近了車輛大修標準（走行里程數120萬公里或者運營年限10年）。因此，自2020年10月始蘇州1號線一期電客車正式進入首輪大修，計劃用時3年完成一期25列電客車的大修工作。

作為電客車最重要的核心系統，牽引系統部件狀態的優劣直接影響列車的運營質量。牽引逆變器作為牽引系統的核心，合理的制定維修范圍、明確維修標準是確保牽引逆變器箱大修維修質量的關鍵。同時通過大修過程對各子部件的維修數據進行整理分析，為后期維修策略制定、部件替換等提供必要的理論支撐。

二、牽引逆變器箱概述

蘇州一號線牽引逆變器主回路采用PWM控制的三相全橋逆變電路，每輛動車裝有兩臺牽引逆變器箱，每個牽引逆變器箱內部裝有一臺逆變器模塊，每臺牽引逆變器控制安裝在同一轉向架的兩臺三相異步牽引電機。根據主電路各部分功能，牽引逆變器主電路可以分為功率輸入電路、電壓源直流回路、制動斬波電路以及逆變電路。主電路原理如下圖所示：

三、牽引逆變器維修策略及標準制訂

根據牽引逆變器結構組成，牽引逆變器大修內容可以分為箱體、線纜檢修、電氣部件檢修、逆變器模塊檢修、冷卻風機檢修及整箱功能測試等。維修簡要流程圖如下圖：

牽引逆變器箱進入維修廠房后，首先進行入廠登記，記錄箱體編號、入庫日期等信息，同時對牽引逆變器進行入廠測試，以確定牽引逆變器的初步狀態。其次，根據初檢的測試情況，完成箱體分解。然后根據標準并對各核心部件進行清潔、檢修、更換、測試等維護。最后將各部件組裝并進行性能測試，形成測試記錄及出具維修合格證。下文將對主要部件維修過程中的維修策略進行簡要闡述：

3.1.箱體及線纜維修

箱體維修主要包含箱體、蓋板外觀清潔及檢查、箱體吊掛位置檢查及探傷、蓋板密封膠條更換、風道及濾網清潔以及箱體外表面的整體油漆處理等。

線纜維修主要包含線纜外觀及線號檢查、線纜連接器插頭及插針情況、線纜絕緣情況等。

3.2.功率輸入電路維護

功率輸入電路維護主要包括構成電路的接觸器、電抗器、電阻、供電電源、EMC電容等電氣部件的維護。

3.2.1接觸器維護

接觸器維護分為高壓直流回路接觸器維護和低壓控制回路接觸器維護。直流回路接觸器維護主要以觸點維護為主，大修過程中建議對觸點進行更換。更換的動靜觸頭均需對觸點間隙、吸合后觸頭接觸面積、吸合時間、接觸電阻等參數進行測量。低壓控制接觸器可以根據接觸器的電氣壽命、故障情況等綜合考慮是否更換，目前蘇州項目按照必換標準執行。

3.2.2電抗器、濾波電容維護

電抗器維護以電抗器絕緣性能和電抗器性能測試為主。濾波電容大修維護中采用直接換新策略，換新后的電容需對電容參數及絕緣性能進行測試，確保符合使用標準。

3.2.3電源、電阻器維護標準

電源以及電阻器的維護主要以性能參數測量為主，確保各部件參數符合使用標準。

3.3 IGBT功率模塊維護

IGBT功率模塊是牽引逆變器的核心部件，主要由逆變電路、斬波電路組成。主要包括組成牽引電路的IGBT A1-A6，斬波電路IGBT A7、A8，二極管A9等半導體器件，配合驅動的驅動電路板，以及牽引逆變器主電路所需的母排、支撐電容、電流傳感器等部件組成。牽引模塊的維修流程如下圖：

3.3.1 IGBT及二極管檢修

IGBT，是由BJT和MOS組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，具有高輸入阻抗、低導通壓降的優點。因此IGBT的檢修重點是根據IGBT對應規格參數的性能標準對其靜態參數（柵-發閾值電壓、集-發截止電流、柵-發漏電流、集-發飽和電壓等）、動態參數（開通時間ton、開通延遲時間td（on）、上升時間tr、關斷時間toff、關斷延遲時間td（off）、下降時間tf）進行測試。目前蘇州地鐵一號線牽引逆變器IGBT為以下兩種：牽引IGBT型號為三菱CM1200HC-66H、斬波IGBT型號為英飛凌FZ800R33KF2C，二極管型號為DD400S33K2C。

3.3.2 IGBT驅動板檢修

根據原理及結構圖，牽引模塊驅動板可分為電源驅動板、IGBT驅動板、母線電壓檢測觸發板。

3.2.1 觸發板維修

觸發板用于SVPWM控制的母線電壓參數監測，對母線過壓、欠壓等進行保護。觸發板采用電阻分壓輸入電路采集母線電壓值，通過隔離運算放大器電路進行調理，再將調理后的母線電壓信號傳輸至逆變器控制器，具有較高的線性度和低失真特性。大修維修過程中需要重點對電路中的分壓電阻、濾波電容、隔離運算放大器等部件狀態進行檢測，使得電壓范圍和濾波效果滿足控制器要求。

3.2.2 IGBT電源板維修

IGBT電源板為保護電路提供基準穩壓電壓，為脈沖振蕩電路和故障反饋電路提供電壓，通過電源電路、保護電路、故障檢測，反饋電路、脈沖振蕩電路以及逆變輸出電路等形成交變電壓為牽引逆變驅動板供電。電源板維修過程中需要重點對電路中電容、反向二極管、場效應管以及驅動芯片等進行測試分析，確保電源板輸出電壓符合標準。

3.2.3 IGBT驅動板

逆變驅動板應用在牽引驅動模塊，用于驅動大功率IGBT器件，實現信號接收、開關控制進而驅動牽引電機實現牽引功能。逆變驅動板主要由電源、信號接收、信號傳輸、功率放大、異常偵測等部分組成。該驅動板無故障反饋功能，發生故障后驅動板保護，關斷IGBT，靠ICU檢測電流判斷是否異常。維修過程中重點對整流二極管、穩壓芯片、分壓電容、濾波電容以及光纖接口等進行檢測，確保驅動板驅動電壓符合標準。

3.3 傳感器檢修

牽引模塊共包含四個霍爾電流傳感器，分別對母線輸入電流、三相輸出電流、制動斬波電流進行檢測。電流傳感器的精度直接影響牽引逆變器的功能，因此大修過程中需要對傳感器的精度進行檢測。

3.4 牽引模塊檢測

牽引模塊組裝后需要對基本功能及核心部件進行檢測，主要包括以下內容：絕緣耐壓測試、弱電功能測試（反并二極管測試、IGBT測試、驅動板測試）、脈沖及老化性能測試。流程圖如下：

3.4.冷卻系統部件維護

每個牽引逆變器冷卻回路都有一臺冷卻風扇，主要組成為一個三相交流電機和一個葉輪。大修時需要對風機葉片和葉輪探傷，并在更換電機軸承后進行動平衡測試，確保風機振動值符合標準。

3.5.整箱功能測試

牽引箱完成維修后需要對整箱的功能進行測試，測試可以分為兩大部分，靜態測試和動態測試。靜態測試主要包括線纜的絕緣耐壓測試、控制回路測試、接觸器回路測試等;動態測試主要包括主回路通電測試、冷卻回路測試等內容。通過上述測試確保牽引逆變器各項功能正常，能夠正常運行。

四、結語

上文對蘇州項目牽引逆變器大修策略做了簡單的闡述，項目目前已經按照維修標準開始執行，已經完成維修的牽引逆變器已經裝車并無故障運營近半年時間，整體維修質量及設備狀態可靠性均能夠滿足正常運營需求。間接證明了上述維修策略的可靠性。同時通過大修過程中箱體主模塊IGBT部件、驅動板等狀態的檢測分析，為后續壽命評估以及國產化替代提供了必要的數據基礎，為后續降低運營維修成本提供了必要的研究方向。

參考文獻：

[1]蘇州1號線牽引逆變器維護手冊

[2]蘇州1號線牽引逆變器箱大修委外項目技術冊