地鐵電客車牽引系統工作原理及其逆變模塊的檢測研究

吳炳嬌

摘 要：本文以地鐵列車牽引系統的電能變換設備為背景，根據基于PWM控制的逆變原理，將在列車牽引系統中得到應用的牽引逆變器的PIM1模塊，在實際中通過模擬輸入、控制信號及其設備工作電源，進行相應的實驗，實驗結果表明PIM1模塊能實現逆變，該試驗條件下的電源信號以及控制脈沖能夠滿足列車牽引逆變系統的檢測實驗，因此可以通過此設備以及試驗條件實現對PIM1模塊的檢修，檢測其功能的好壞，為以后進行進一步試驗及其研究奠定了基礎。

關鍵詞：牽引系統；PIM1模塊；逆變；控制脈沖

1 引言

牽引系統作為列車運行的重要環節，在列車運行過程中承擔著列車能否運行的重任。列車牽引系統根據結構和功能分為兩大模塊，PIM1模塊和PIM2模塊，PIM1模塊用于列車牽引以及回饋制動時使用，PIM2模塊則用于列車進行電阻制動時。本文首先對牽引系統與高壓的連接以及預逆變過程進行了簡單以及原理上的介紹，并針對PIM1的逆變功能展開試驗研究，模擬在其進行逆變過程中的控制電源以及供電電源，提供PIM1模塊的工作試驗條件，并在此試驗條件下對輸出進行相應的檢測。

2 牽引逆變系統線路的工作原理

牽引逆變器系統工作主要過程及其各個關鍵部件的作用介紹如下。

牽引逆變器箱與外界進行連接、實現預電能變換的連線如圖1所示。1500V的直流電壓，經過浪涌吸收器后接地，然后兩個主熔斷器，MF1和MF2，MF1是保護本車的牽引箱，MF2是保護另一個本單元動車的牽引箱設備。IESS箱里的高壓供應開關HVSS有幾個檔位，分別是：接地位，車間電源位，受電弓位。接受電弓就是在這個位置，如果是車間電源位則是：由W到了A位，直接不用經過AD二極管，只給輔助逆變器和高壓列車線供電，并經過牽引箱，直接供給A車的輔助逆變器和高壓列車線。如果有受電弓，則一路經過二極管到達M4，I經過一個保護二極管，其作用是使輸入到列車母線上的電不能本牽引箱，即當一個受電弓不能工作時，另一個受電弓電不能給本車的牽引箱供電。此線路將電源供給高壓列車線和給本單元的A車輔助逆變器箱提供1500V直流電。經過AF1和AF2線出牽引箱，AF1用來保護高壓列車線，AF2 用來保護本單元A車的輔助逆變器設備。

進入到牽引逆變器箱的線路，M7經過高速斷路器。電流平衡繼電CBR的作用就是檢測輸入端的電流。一般輸入回路中的電流變化不大，如果一個電路中電流變化很大說明有漏電流的問題，當電流平衡繼電器檢測到電流變化即漏電流超過80A時動作。

預充電環節，預充電時，開始時LC（線路接觸器）是不會得電的，在AGATE的控制下，CCC（預充電接觸器）先閉合，經過預充電電阻（CCZ），預充電電阻的作用就是如果電壓過大進行分壓的，當電壓達到900V，在AGATE的控制下，LC（線路接觸器）閉合。FKZ（濾波放電電阻）的作用是當FK1和FK2放電時，FKZ進行電能的消耗，一般是降弓后有五分鐘內放電的過程，與 FK1和FK2并聯的電路中有相應的小電阻，當FKZ出現故障時，則FK1和FK2主要放電給各自并聯的小電阻，對于放電過程來說DDU上會顯示放電速度慢的故障信息。

PIM1和PIM2是實現電能變換的主要模塊。它負責將1500VCDC變為670V左右的交流電。列車工作過程有啟動時進行牽引和將要進行停止時的制動，牽引時只有PIM1模塊起作用，其中起作用的是IGBT。當制動時，列車或者進行回饋制動或者進行電阻制動?；仞佒苿訒r也只有PIM2模塊的IGBT上部的兩個IGBT起作用，下邊的IGBT不起作用，硬撬棒和軟撬棒是兩種過壓保護。硬撬棒和軟撬棒的區別在于：硬撬棒是指自身檢測到電網電壓超過2500V時，則自動進行硬撬棒啟動；軟撬棒則是檢測到電網電壓超過1900V時，則用AGATE進行控制，控制開關的開通和關斷才能實現軟撬棒啟動。

3 PIM1模塊檢修實驗

在進行PIM1模塊檢修過程中，我們在對PIM1進行檢測，用30V直流來模擬列車供電的直流1500V，而CPB板的工作電壓為DC48V，DC48V經過穩壓管穩壓后進行逆變再進行整流，經過穩壓管，及其隔離變壓器，將電壓變為DC15V或者DC7V，穩壓管是通過觸發晶閘管的導通來控制IGBT的導通，15VDC作為模擬牽引控制單元PCE給出的信號（AGATE允許IGBT導通的時候才能夠導通，而DC7V或者DC15VDC是IGBT的觸發能導通的門級輸入電壓值），檢修過程中，發現對于IGBT的順序，最后一組由于IGBT最后5號和2號安裝是相反的，即上面三個IGBT的編號分別是1，3，2，下面IGBT的編號分別是4，6，5。這樣安排的原因是母排的原因。這樣在對IGBT進行觸發時，其順序為，6和1，1和5，5和3，3和4，4和5，5和6，按這個順序管子依次導通。在模擬時， 分別給出一對IGBT進行觸發，模擬一相的輸出，即PH1和PH2，以及PH3輸出點的電壓值，即分別給IGBT1，IGBT3，IGBT5進行觸發后，相應的IGBT導通后，在PH1，PH2，PH3處測得的輸出電壓值。

外界條件的設置：

其中給出30V的直流電壓，來模擬列車的高壓供應1500V的直流輸入。+15V與-15V用來給IGBT觸發板控制上下管子是否導通，被提供+15V電壓的IGBT可以導通，被提供-15V電壓的IGBT不可以導通。直流48V的電壓是IGBT控制板供電的電源板，在這個過程中經歷了將直流48V經過隔離變壓器變為在+20V與-18V的方波，再經過穩壓管變換為+15和-12的穩態方波，給IGBT的門級電壓供電，用來觸發IGBT的導通與關斷。根據PWM控制原理同一橋臂的上下兩個管子不能同時導通，因此我們所測的輸出電壓是針對其中一相來說，即PH1，PH2，PH3處測得的電壓分別是通過示波器轉換不同的相位后，測量相應的輸出電壓。

4 實驗結果及其結論

圖1、圖2、圖3的上部波形都是IGBT的G級觸發電壓，+15V與-15V的電壓，用于橋臂上端的IGBT的G級觸發，即IGBT1、IGBT3、IGBT5。由于在實際使用中，電路導電板是五層電路板，IGBT2與IGBT5所在的橋臂，當IGBT1與IGT3所在板子的電壓是正向電壓時，此板子的上端是高壓，因此IGBT5在板子的下端，IGBT2在板子的下端，在對門極進行觸發時，觸發電壓也是相反的，因此在測量輸出電壓時，在輸出端PH3端，會有當IGBT1與IGBT3是下降沿觸發導通的情況下，IGBT2在電壓的上升沿觸發導通，由圖2、圖3與圖4的下部波形對比可以看出。圖2、圖3、圖4的下部波形是相應的IGBT1、IGBT3、IGBT2導通時，PH1、PH2、PH3端輸出的30V電壓。輸出結果顯示，當IGBT導通時，會在輸出端輸出相應的輸入電壓。試驗結果驗證了IGBT在此外部試驗條件下能夠輸出試驗預測值，證明了此外界試驗條件滿足控制系統以及逆變系統的試驗條件，能夠檢測相應的IGBT的狀態是否良好，同時也能檢測控制板的工作正常與否。為進一步試驗條件的設定以及研究奠定了理論和實踐基礎。