地鐵電客車牽引系統(tǒng)工作原理及其逆變模塊的檢測(cè)研究

吳炳嬌

摘 要：本文以地鐵列車牽引系統(tǒng)的電能變換設(shè)備為背景，根據(jù)基于PWM控制的逆變?cè)?，將在列車牽引系統(tǒng)中得到應(yīng)用的牽引逆變器的PIM1模塊，在實(shí)際中通過(guò)模擬輸入、控制信號(hào)及其設(shè)備工作電源，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PIM1模塊能實(shí)現(xiàn)逆變，該試驗(yàn)條件下的電源信號(hào)以及控制脈沖能夠滿足列車牽引逆變系統(tǒng)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，因此可以通過(guò)此設(shè)備以及試驗(yàn)條件實(shí)現(xiàn)對(duì)PIM1模塊的檢修，檢測(cè)其功能的好壞，為以后進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)及其研究奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：牽引系統(tǒng)；PIM1模塊；逆變；控制脈沖

1 引言

牽引系統(tǒng)作為列車運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，在列車運(yùn)行過(guò)程中承擔(dān)著列車能否運(yùn)行的重任。列車牽引系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)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(dòng)時(shí)使用，PIM2模塊則用于列車進(jìn)行電阻制動(dòng)時(shí)。本文首先對(duì)牽引系統(tǒng)與高壓的連接以及預(yù)逆變過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)單以及原理上的介紹，并針對(duì)PIM1的逆變功能展開(kāi)試驗(yàn)研究，模擬在其進(jìn)行逆變過(guò)程中的控制電源以及供電電源，提供PIM1模塊的工作試驗(yàn)條件，并在此試驗(yàn)條件下對(duì)輸出進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)。

2 牽引逆變系統(tǒng)線路的工作原理

牽引逆變器系統(tǒng)工作主要過(guò)程及其各個(gè)關(guān)鍵部件的作用介紹如下。

牽引逆變器箱與外界進(jìn)行連接、實(shí)現(xiàn)預(yù)電能變換的連線如圖1所示。1500V的直流電壓，經(jīng)過(guò)浪涌吸收器后接地，然后兩個(gè)主熔斷器，MF1和MF2，MF1是保護(hù)本車的牽引箱，MF2是保護(hù)另一個(gè)本單元?jiǎng)榆嚨臓恳湓O(shè)備。IESS箱里的高壓供應(yīng)開(kāi)關(guān)HVSS有幾個(gè)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(gè)位置，如果是車間電源位則是：由W到了A位，直接不用經(jīng)過(guò)AD二極管，只給輔助逆變器和高壓列車線供電，并經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)二極管到達(dá)M4，I經(jīng)過(guò)一個(gè)保護(hù)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(dāng)一個(gè)受電弓不能工作時(shí)，另一個(gè)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(jīng)過(guò)AF1和AF2線出牽引箱，AF1用來(lái)保護(hù)高壓列車線，AF2 用來(lái)保護(hù)本單元A車的輔助逆變器設(shè)備。

進(jìn)入到牽引逆變器箱的線路，M7經(jīng)過(guò)高速斷路器。電流平衡繼電CBR的作用就是檢測(cè)輸入端的電流。一般輸入回路中的電流變化不大，如果一個(gè)電路中電流變化很大說(shuō)明有漏電流的問(wèn)題，當(dāng)電流平衡繼電器檢測(cè)到電流變化即漏電流超過(guò)80A時(shí)動(dòng)作。

預(yù)充電環(huán)節(jié)，預(yù)充電時(shí)，開(kāi)始時(shí)LC（線路接觸器）是不會(huì)得電的，在AGATE的控制下，CCC（預(yù)充電接觸器）先閉合，經(jīng)過(guò)預(yù)充電電阻（CCZ），預(yù)充電電阻的作用就是如果電壓過(guò)大進(jìn)行分壓的，當(dāng)電壓達(dá)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(dāng)FK1和FK2放電時(shí)，F(xiàn)KZ進(jìn)行電能的消耗，一般是降弓后有五分鐘內(nèi)放電的過(guò)程，與 FK1和FK2并聯(lián)的電路中有相應(yīng)的小電阻，當(dāng)FKZ出現(xiàn)故障時(shí)，則FK1和FK2主要放電給各自并聯(lián)的小電阻，對(duì)于放電過(guò)程來(lái)說(shuō)DDU上會(huì)顯示放電速度慢的故障信息。

PIM1和PIM2是實(shí)現(xiàn)電能變換的主要模塊。它負(fù)責(zé)將1500VCDC變?yōu)?70V左右的交流電。列車工作過(guò)程有啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行牽引和將要進(jìn)行停止時(shí)的制動(dòng)，牽引時(shí)只有PIM1模塊起作用，其中起作用的是IGBT。當(dāng)制動(dòng)時(shí)，列車或者進(jìn)行回饋制動(dòng)或者進(jìn)行電阻制動(dòng)?；仞佒苿?dòng)時(shí)也只有PIM2模塊的IGBT上部的兩個(gè)IGBT起作用，下邊的IGBT不起作用，硬撬棒和軟撬棒是兩種過(guò)壓保護(hù)。硬撬棒和軟撬棒的區(qū)別在于：硬撬棒是指自身檢測(cè)到電網(wǎng)電壓超過(guò)2500V時(shí)，則自動(dòng)進(jìn)行硬撬棒啟動(dòng)；軟撬棒則是檢測(cè)到電網(wǎng)電壓超過(guò)1900V時(shí)，則用AGATE進(jìn)行控制，控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和關(guān)斷才能實(shí)現(xiàn)軟撬棒啟動(dòng)。

3 PIM1模塊檢修實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行PIM1模塊檢修過(guò)程中，我們?cè)趯?duì)PIM1進(jìn)行檢測(cè)，用30V直流來(lái)模擬列車供電的直流1500V，而CPB板的工作電壓為DC48V，DC48V經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后進(jìn)行逆變?cè)龠M(jìn)行整流，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓管，及其隔離變壓器，將電壓變?yōu)镈C15V或者DC7V，穩(wěn)壓管是通過(guò)觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通來(lái)控制IGBT的導(dǎo)通，15VDC作為模擬牽引控制單元PCE給出的信號(hào)（AGATE允許IGBT導(dǎo)通的時(shí)候才能夠?qū)?，而DC7V或者DC15VDC是IGBT的觸發(fā)能導(dǎo)通的門級(jí)輸入電壓值），檢修過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)于IGBT的順序，最后一組由于IGBT最后5號(hào)和2號(hào)安裝是相反的，即上面三個(gè)IGBT的編號(hào)分別是1，3，2，下面IGBT的編號(hào)分別是4，6，5。這樣安排的原因是母排的原因。這樣在對(duì)IGBT進(jìn)行觸發(fā)時(shí)，其順序?yàn)椋?和1，1和5，5和3，3和4，4和5，5和6，按這個(gè)順序管子依次導(dǎo)通。在模擬時(shí)， 分別給出一對(duì)IGBT進(jìn)行觸發(fā)，模擬一相的輸出，即PH1和PH2，以及PH3輸出點(diǎn)的電壓值，即分別給IGBT1，IGBT3，IGBT5進(jìn)行觸發(fā)后，相應(yīng)的IGBT導(dǎo)通后，在PH1，PH2，PH3處測(cè)得的輸出電壓值。

外界條件的設(shè)置：

其中給出30V的直流電壓，來(lái)模擬列車的高壓供應(yīng)1500V的直流輸入。+15V與-15V用來(lái)給IGBT觸發(fā)板控制上下管子是否導(dǎo)通，被提供+15V電壓的IGBT可以導(dǎo)通，被提供-15V電壓的IGBT不可以導(dǎo)通。直流48V的電壓是IGBT控制板供電的電源板，在這個(gè)過(guò)程中經(jīng)歷了將直流48V經(jīng)過(guò)隔離變壓器變?yōu)樵?20V與-18V的方波，再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓管變換為+15和-12的穩(wěn)態(tài)方波，給IGBT的門級(jí)電壓供電，用來(lái)觸發(fā)IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。根據(jù)PWM控制原理同一橋臂的上下兩個(gè)管子不能同時(shí)導(dǎo)通，因此我們所測(cè)的輸出電壓是針對(duì)其中一相來(lái)說(shuō)，即PH1，PH2，PH3處測(cè)得的電壓分別是通過(guò)示波器轉(zhuǎn)換不同的相位后，測(cè)量相應(yīng)的輸出電壓。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其結(jié)論

圖1、圖2、圖3的上部波形都是IGBT的G級(jí)觸發(fā)電壓，+15V與-15V的電壓，用于橋臂上端的IGBT的G級(jí)觸發(fā)，即IGBT1、IGBT3、IGBT5。由于在實(shí)際使用中，電路導(dǎo)電板是五層電路板，IGBT2與IGBT5所在的橋臂，當(dāng)IGBT1與IGT3所在板子的電壓是正向電壓時(shí)，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(duì)門極進(jìn)行觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)電壓也是相反的，因此在測(cè)量輸出電壓時(shí)，在輸出端PH3端，會(huì)有當(dāng)IGBT1與IGBT3是下降沿觸發(fā)導(dǎo)通的情況下，IGBT2在電壓的上升沿觸發(fā)導(dǎo)通，由圖2、圖3與圖4的下部波形對(duì)比可以看出。圖2、圖3、圖4的下部波形是相應(yīng)的IGBT1、IGBT3、IGBT2導(dǎo)通時(shí)，PH1、PH2、PH3端輸出的30V電壓。輸出結(jié)果顯示，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，會(huì)在輸出端輸出相應(yīng)的輸入電壓。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了IGBT在此外部試驗(yàn)條件下能夠輸出試驗(yàn)預(yù)測(cè)值，證明了此外界試驗(yàn)條件滿足控制系統(tǒng)以及逆變系統(tǒng)的試驗(yàn)條件，能夠檢測(cè)相應(yīng)的IGBT的狀態(tài)是否良好，同時(shí)也能檢測(cè)控制板的工作正常與否。為進(jìn)一步試驗(yàn)條件的設(shè)定以及研究奠定了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。