地铁车辆主牵引逆变器及测试
地铁电客车牵引系统工作原理及其逆变模块的检测研究
地铁电客车牵引系统工作原理及其逆变模块的检测研究作者：吴炳娇来源：《卷宗》2015年第07期摘要：本文以地铁列车牵引系统的电能变换设备为背景，根据基于PWM控制的逆变原理，将在列车牵引系统中得到应用的牵引逆变器的PIM1模块，在实际中通过模拟输入、控制信号及其设备工作电源，进行相应的实验，实验结果表明PIM1模块能实现逆变，该试验条件下的电源信号以及控制脉冲能够满足列车牵引逆变系统的检测实验，因此可以通过此设备以及试验条件实现对PIM1模块的检修，检测其功能的好坏，为以后进行进一步试验及其研究奠定了基础。
关键词：牵引系统；PIM1模块；逆变；控制脉冲1 引言牵引系统作为列车运行的重要环节，在列车运行过程中承担着列车能否运行的重任。
列车牵引系统根据结构和功能分为两大模块，PIM1模块和PIM2模块，PIM1模块用于列车牵引以及回馈制动时使用，PIM2模块则用于列车进行电阻制动时。
本文首先对牵引系统与高压的连接以及预逆变过程进行了简单以及原理上的介绍，并针对PIM1的逆变功能展开试验研究，模拟在其进行逆变过程中的控制电源以及供电电源，提供PIM1模块的工作试验条件，并在此试验条件下对输出进行相应的检测。
2 牵引逆变系统线路的工作原理牵引逆变器系统工作主要过程及其各个关键部件的作用介绍如下。
牵引逆变器箱与外界进行连接、实现预电能变换的连线如图1所示。
1500V的直流电压，经过浪涌吸收器后接地，然后两个主熔断器，MF1和MF2，MF1是保护本车的牵引箱，MF2是保护另一个本单元动车的牵引箱设备。
IESS箱里的高压供应开关HVSS有几个档位，分别是：接地位，车间电源位，受电弓位。
接受电弓就是在这个位置，如果是车间电源位则是：由W到了A位，直接不用经过AD二极管，只给辅助逆变器和高压列车线供电，并经过牵引箱，直接供给A车的辅助逆变器和高压列车线。
如果有受电弓，则一路经过二极管到达M4，I经过一个保护二极管，其作用是使输入到列车母线上的电不能本牵引箱，即当一个受电弓不能工作时，另一个受电弓电不能给本车的牵引箱供电。
苏州地铁1号线牵引逆变器负载测试台设计与研发
苏州地铁1号线牵引逆变器负载测试台设计与研发苏州地铁1号线牵引逆变器是地铁1号线列车牵引传动系统的关键部件之一，是为地铁车辆提供动力输出的核心部件。
牵引逆变器在车辆运行的过程中一直在停止和工作状态间频繁的切换，地铁车辆的运行环境复杂多样，故障的出现在所难免。
牵引逆变器故障不仅会打乱地铁正常运行秩序，还会给乘客造成不便。
根据其运行特点研究设计了一种牵引逆变器测试台。
该测试台通过其工作过程的控制逻辑，对车辆系统牵引逆变器的功能进行测试，以判断其功能是否正常以及相应的故障情况。
使用该测试台可实现牵引逆变控制器的功能快速检测和故障快速识别，满足牵引逆变器功能测试和故障检测等大修需求。
标签：牵引逆变器；测试平台；故障检测牵引逆变器在城市轨道交通车辆系统的牵引系统中得到广泛应用，在长期使用过程中，其运行故障不断发生，根据定期维保的要求，很多城市的轨道交通车辆系统都将进入大修周期，车辆系统的牵引逆变器系统面临着功能测试复杂、故障诊断难度大、设备器件更换成本高等问题。
当车辆的运营里程进入70万公里之后，列车牵引逆变器就进入了故障高发期。
而且由于使用进口牵引系统核心设备的原因，这些设备一旦损坏必须返回欧洲修理，以此带来的问题就是返修需要74 周的时间，维修费用昂贵、周期漫长。
因此如何对维修后的设备进行有效的检测更是重中之重。
传统的检测方法需将牵引逆变器安装到动车上，采用实际运行的方法检测，占用了大量线路试验时间，为城市轨道交通车辆系统的正常运行和大修保障带来了很大难题。
本文设计了一种牵引逆变器负载测试台来完成模块各种技术指标的测试和模块故障的复现和定位。
本平台主要是针对苏州地铁1号线的牵引逆变器模块的高压隔离电源板、IGBT 驱动板等电路板进行测试和调试。
测试平台采集板卡组件中关键信号，并结合控制单元输出信号来评估和测试板级性能和工作状态。
1牵引逆变器概述苏州地铁1号线的牵引系统为微机矢量控制的变频变压（VVVF）三相异步交流传动系统，逆变器与牵引电机的配置为1C2M方式，具有牵引、再生制动、电阻制动功能。
城轨车辆电气设备检查维护之逆变装置
描述
逆变电路：两电平逆变电路（DC/AC）蓄电池充电器： 三相整流AC/DC+高频DC/DC变换DC24V电路： DC110V/DC24V变换 强迫风冷
DC1500V
(2) 电压波动范围 DC1000V~1800VDC2000V（再生制动时最大允许电压）
(3) 电压突变
±300V/20ms
辅助逆变器相关技术参数
3. 输出
(1) 额定电压 (2) 相数 (3) 额定频率 (4) 容量
(5) 额定
输出1
输出2
3AC380Vrms/220 Vrms±5%
DC 110 V±2%
输出3 DC 24 V±2%
-
-
195kVA
25kW
2x500W
总输出容量：220kVA
100%，持续160%， 10 s200%，立即 100%，持续定额 100% ，持续定额
3. 逆变器电路 作用：将直流逆变成三相交流给电机供电。
4. 斩波电路 作用：将电制动时产生的多余的电能通过制动电阻消 耗。
牵引逆变器相关技术参数
VVVF逆变器主要技术参数
型号 额定输入电压 输入电压范围 电制动时允许达到最高电压 额定容量 额定输入电流 额定输出电流 输出电压范围： 输出主频率范围
TGN51系列 DC1500V DC1000V～1800V DC2000V 1060kVA
450A 542A 0~1112V 0~150Hz
牵引逆变器、辅助逆变器
辅助逆变器基本结构
辅助逆变器相关技术参数
辅助逆变器主要技术参数
项目 1. 系统
(1)主电路型式
(2) 冷却方法 2. 输入 (1) 额定电压
3）直流电源（兼作蓄电池充电器）：车辆上各控制电器 都由直流电源 DC/DC 供电。车辆 上蓄电池为紧急用电所需，所以 DC110 V 控制电源同时 也是蓄电池的充电器。
南京地铁车辆牵引逆变器大修及国产化分析
· · Engineering Equipment and Materials | 工程设备与材料 | 117
南京地铁车辆牵引逆变器大修及国产化分析
董兆兵
（南京地铁运营有限责任公司，江苏 南京 210000）
摘 要： 在地铁列车在城市交通中的地位尤为凸显的今天，如何确保地铁列车正常运行显得尤为重要。目前，进口牵引 系统存在故障率居高不下、维修成本高、维修周期长的问题。文章针对以上问题提出地铁车辆牵引系统主逆变器国产化 维修的解决方案，并开展了实测检验工作。在保障安全性和可靠性的基础上，大大降低大修成本，提高维修效率，使地 铁公司对车辆牵引系统的自主维护及大修能力得到了进一步提高。目前，该主逆变器已完成样机研制工作，并进行了线下、 试车线、正线试验。试验结果证明国产化主逆变器性能良好，符合要求，达到了预定目标。
2019 年第 13 期
低感叠层母排、铜排等器件。使用具有自主知识产权的 国产产品替代，达到国产化维修的目标。
2 牵引主逆变器技术参数
表 1 牵引主逆变器技术参数
牵引主逆变器技术指标
开关元件技术指标
项目
参数
项目
参数
输出电压
三相交流 0 ～ 1170V
集电极 - 发射极阻 断电压
3300V
输出频率
防护等级
IP54
振动
0 ～ 18Hz±0.5g 下无共振
安装方式
车底安装
3 牵引主逆变器关键部件选型 3.1 IGBT 功率器件选型
为保证维修后的主逆变器与原列车的匹配性，选定 与原 IGBT 性能、参数相近的 IGBT 作为开关器件。所 选 IGBT 在南京地铁 1 号线正线完成 12000km 试验验证。 IGBT 特性曲线如图 3 所示。
城轨车辆主型电器—辅助逆变器的检查与维护
第十三节 辅助逆变器
二、AC380V子系统的结构及特点
3、 C380V子系统的特点
第十三节 辅助逆变器
三、辅助逆变器的工作原理
1、 辅助逆变器的组成 辅助逆变器(ACM)是车辆的核心部件，其作用是把直流电转换3相工频 交流电，主要包括控制单元、电容器、工GBT元件、过压电阻、散热器。
第十三节 辅助逆变器
三、辅助逆变器的工作原理
2、 3相逆变器的电路结构 3相逆变器由六个IGBT元件组成。 V1, V3,V5构成正组元件，V2, V4, V6构成负组元件，其中V1. V4构 成A相，V3, V6构成B相，V5, V2 构成C相。
图1 3相逆变器的电路结构
第十三节 辅助逆变器
三、辅助逆变器的工作原理
第十三节 辅助逆变器
五、辅助逆变器的保护
(1)输入到每个辅助逆变器的DC1500V线跳有熔断器保护。 (2)输入过压和欠压的保护 (3)输出过流保护 (4)输出过压和欠压的保护 (5)输出缺相保护 (6)过热保护
第十三节 辅助逆变器 三、辅助逆变器的工作原理
3、 PWM控制技术 面积等效原理
图2 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
第十四节 牵引逆变器 三、辅助逆变器的工作原理
3、 PWM控制技术 面积等效实例
图3 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
第十三节 辅助逆变器 三、辅助逆变器的工作原理
3、 PWM控制技术 用PWM波代替正弦半波
图4 用PWM波代替正弦半波
第十三节 辅助逆变器
三、辅助逆变器的工作原理
3、 PWM控制技术 用PWM波代替正弦半波
图5 等效正弦波的PWM波形
第十三节 辅助逆变器
三、辅助逆变器的工作原理
广州地铁1号线车辆的牵引逆变器
滤波器箱的Ａ 区装有差动电流传感器Ｕ ４ 谐波吸 收电容Ｃ１１ Ｃ２５ 及放电电阻Ｒ１ Ｒ３ 另外 还装有模块 Ａ１０ 模块Ａ１０ 上装有网压传感器 Ａ１０ Ｕ１ 电容电压传 感器Ａ１０ Ｕ２ 网侧极性反向保护二极管Ａ１０ Ａ３ 充电 熔断器Ａ１０ Ｆ１ 充电接触器Ａ１０ Ｋ３ 放电接触器Ａ１０ Ｋ４ 充放电电阻Ａ１０ Ｒ１ Ｒ５ 支撑电容极性反向保护 二极管Ａ１０ Ａ２ 还装有可选用支撑电容Ａ３１ Ａ３２ 用 于抑制直流侧的谐振 滤波器箱的Ｂ 区 冷却风道中装有直流电抗器Ｌ１ 接触器 Ｋ １ 电流传感器Ｕ ３ 装于滤波器箱的Ｂ 区 但与逆变器冷却风道隔离
电路的电感为１３０ ｎＨ 关断电流的能力
图３ 逆变器箱Ａ ２ 电路构成
压 Ｖ１ 为极性反向保护二极管 当电压源逆变器或输出 端短路时 由于主电路中存在电感 电感中的能量将向 电容反向充电 此时Ｖ１ 导通 可保护电压源逆变器 Ｕ３ 为主电路电流传感器 直流支撑电容Ｃ １ 为１ ． ６ ５ ｍ Ｆ ＤＡＳＵ６ 型逆变器可根据实际运行情况需要选择安装４ ６ 个电容 每个电容带有一个过压开关 当电容内部压 力超限时 可通过联锁电路向控制单元提供超压信号 产生保护动作 电容上并联的电阻Ｒ １ 为电容的放电电 阻 这个１００ ｋ 的电阻可使单个电容在 ８ ｍｉｎ 内完成放 电 在逆变器脉冲封锁或最大电流时 电容短时电压可 达到２ ５５０ Ｖ 如果电容不经充电电阻突然充电 电压可 能达到３ ４５０ Ｖ 在正常情况下 电容电压被斩波模块限 制到２ １００ Ｖ
网不能接收全部再生能量 即一部分制动能量被接触
网吸收 一部分由车辆的辅助设备吸收时 逆变器工作
于动力制动方式
Ｄ Ａ Ｓ Ｕ ６ 型逆变器的主要技术参数如下
苏州地铁1号线牵引逆变器负载测试台设计与研发
苏州地铁1号线牵引逆变器负载测试台设计与研发作者：刘洋来源：《名城绘》2018年第08期摘要：苏州地铁1号线牵引逆变器是地铁1号线列车牵引传动系统的关键部件之一，是为地铁车辆提供动力输出的核心部件。
牵引逆变器在车辆运行的过程中一直在停止和工作状态间频繁的切换，地铁车辆的运行环境复杂多样，故障的出现在所难免。
牵引逆变器故障不仅会打乱地铁正常运行秩序，还会给乘客造成不便。
根据其运行特点研究设计了一种牵引逆变器测试台。
该测试台通过其工作过程的控制逻辑，对车辆系统牵引逆变器的功能进行测试，以判断其功能是否正常以及相应的故障情况。
使用该测试台可实现牵引逆变控制器的功能快速检测和故障快速识别，满足牵引逆变器功能测试和故障检测等大修需求。
关键词：牵引逆变器；测试平台；故障检测牵引逆变器在城市轨道交通车辆系统的牵引系统中得到广泛应用，在长期使用过程中，其运行故障不断发生，根据定期维保的要求，很多城市的轨道交通车辆系统都将进入大修周期，车辆系统的牵引逆变器系统面临着功能测试复杂、故障诊断难度大、设备器件更换成本高等问题。
当车辆的运营里程进入 70万公里之后，列车牵引逆变器就进入了故障高发期。
而且由于使用进口牵引系统核心设备的原因，这些设备一旦损坏必须返回欧洲修理，以此带来的问题就是返修需要 74 周的时间，维修费用昂贵、周期漫长。
因此如何对维修后的设备进行有效的检测更是重中之重。
传统的检测方法需将牵引逆变器安装到动车上，采用实际运行的方法检测，占用了大量线路试验时间，为城市轨道交通车辆系统的正常运行和大修保障带来了很大难题。
本文设计了一种牵引逆变器负载测试台来完成模块各种技术指标的测试和模块故障的复现和定位。
本平台主要是针对苏州地铁1号线的牵引逆变器模块的高压隔离电源板、IGBT 驱动板等电路板进行测试和调试。
测试平台采集板卡组件中关键信号，并结合控制单元输出信号来评估和测试板级性能和工作状态。
1牵引逆变器概述苏州地铁1号线的牵引系统为微机矢量控制的变频变压（VVVF）三相异步交流传动系统，逆变器与牵引电机的配置为1C2M方式，具有牵引、再生制动、电阻制动功能。
地铁车辆牵引逆变器热管散热器的温升试验及热仿真
地铁车辆牵引逆变器热管散热器的温升试验及热仿真丁杰;张平【摘要】为快速、准确地计算和分析地铁车辆牵引逆变器的热管散热器性能及其绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)模块的瞬态温度场分布,在牵引逆变器中相邻的IGBT模块间布置PT100热电阻进行温升试验,得到用于热仿真计算的输入条件和验证仿真结果准确性的试验数据;采用计算流体动力学仿真软件FLUENT对热管散热器和IGBT模块的冷却空气流场、温度场和对流换热系数的分布进行稳态热仿真;将仿真得到的对流换热系数分布插值到有限元粗糙网格模型中,以保持与仿真模型的边界条件一致,并联合采用有限元法和模型降阶法开发能够实现热管散热器和IGBT模块瞬态热仿真的快速计算程序.与试验结果的对比表明:各测温点的仿真结果误差不超过5％,仿真结果的准确性高;在保证仿真模型边界条件一致的条件下,与单纯采用有限元法相比,有限元法与模型降阶法相结合进行仿真计算,可以在保持有限元法计算准确性的基础上,通过模型降阶提升计算效率.【期刊名称】《中国铁道科学》【年(卷),期】2016(037)003【总页数】8页(P95-102)【关键词】牵引逆变器;绝缘栅双极型晶体管;热管散热器;温度场分布;计算流体动力学;有限元法;模型降阶法;地铁车辆【作者】丁杰;张平【作者单位】湘潭大学土木工程与力学学院,湖南湘潭411105;南车株洲电力机车研究所有限公司南车电气技术与材料工程研究院,湖南株洲412001;湘潭大学土木工程与力学学院,湖南湘潭411105【正文语种】中文【中图分类】U264.372牵引逆变器是地铁车辆的关键部件，而绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)模块是牵引逆变器中最为核心的器件。
根据IGBT模块的失效机理可知，其在封装时各层材料的热膨胀系数不一致，在长期高温热循环作用下可发生铝键合线断裂或脱落、硅芯片与衬板之间及衬板与基板之间的焊料层老化、栅极氧化层损坏和芯片失效等[1-3]。
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地铁车辆主牵引逆变器及测试
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。