} 礁 { ; ; { AC 01/02型电动列车牵引逆变器测试装置研制 朱小娟 陶生桂。 (1.上海轨道交通维护保障中心,200070,上海;2.同济大学电子与信息工程学院,201804,上海∥第一作者,总工程师) 摘要交流传动车辆上牵引逆变器及其核心模块用的检 测装置对车辆维修部门而言是非常必需的。提出并设计了 AC 01/02型电动列车GT0(f-1极可关断晶闸管)牵引逆变 器测试装置。本装置是在分析AC o ̄/o2型电动列车GTO 牵引逆变器及其相模块特性的基础上进行设计的。研究了 其设计原理和相模块结构特点及其电气性能,并用于GTO 逆变器及其相模块的检测与维修。还应用高性能数字信号 处理器(DSP)芯片,开发了脉宽调制(PWM)控制电路板,装 置及其软件设计能够符合工程应用的需要。对目前运行的 绝缘栅双极晶体管(IGBT)牵引逆变器,同样具有重要的参 考与应用价值。 关键词 电动车辆;牵引逆变器;测试装置;GTO相模块 中图分类号U 266.2;TM 464 The Detection Device for GTO Traction Inverter on AC01/ O2 11rain Zhu Xiaojuan,Tao Shenggui Abstract The detection device,which is applied in the traction inverter and core module on AC trains,jS very im. portant and necessary for the vehicle maintenance depart— ment.This device is designed on the basis of an analysis of GTO traction inverter and the characteristic of its module on ACO1/02 train,SO as to diagnose and maintain the mad— ule.This paper makes a study of the design principles and the electical characters of this devices,argues that this de. vice iS valuable for the IGBT traction inverter which is on operation now. Key words electric rail car;traction inverter;detection device;GTO module Firs ̄author’S address Shanghai Rail Transit Maintenance Support Centre,200070,Shanghai,China 0概述 AC 01/02型交流传动电动列车自1999年从德 国引进以来已运行9年。对其的检修与维护,尤其 是关键部件门极可关断晶闸管(GTO)牵引逆变器 的故障查找与检修维护,外国制造公司虽提供故障 代码能对应指出故障发生处的可能性;但对变压一 变频(VVVF)逆变器中的核心部件即GTo牵引或 制动相模块中故障问题或原因的查找,就没有相应 合适的检测设备或仪器,从运行功能或电气性能上 来判定其能否正常工作。 目前这些交流传动电动列车,很快就要进人架 修、大修阶段,但缺乏相应的测试设备来分析判断核 心部件G1 相模块的电气性能是否正常。在外国 制造公司提供的大修规程手册中,对核心部件GTO 牵引或制动相模块的检修方面,除了提醒注意事项 和有关机械的装拆过程外,仅要求在施加控制电源 电压DC 140 V时观察一下3个发光二极管(U D) 信号指示灯的显示是否符合规定,以及用万用表按 常规方法测量GTO及功率二极管的正反向来判 断,无法进一步地提供各GT0相模块上主要组成 部件的性能是否完好,以及架修、大修后的GTO逆 变器能否正常工作。 此外,对运营公司负责日常检修和维护的部门 来说,也很需要这样一种能检测并判断AC 01/02 型电动列车上GTO牵引逆变器中各GT0相模块 的电气性能与功能是否正常的测试装置。而且希望 这种测试装置能提供一种便携式的测试手段,以方 便检修与维护的工作人员使用。 基于上述情况,提出并设计了AC 01/02型电 动列车GTO牵引逆变器测试装置,以满足架修、大 修时对GTO逆变器的检测需要,同时也尽可能兼 顾日常的检修和维护的需要,以方便对GTO相模 块的检查与维护。 1 GTO相模块结构特点及其电气性能 AC 01/02型电动列车上的GTO牵引箱是由 预充电电路、输入滤波电感、制动斩波器(BcH)、中 间电路与VVVF逆变器等部分组成。其中核心部 分为VVVF逆变器和制动斩波器。前者是由三个 牵引相模块所构成,而后者是由一个制动相模块组 ・39・ 固{墟 轿避交避雾 i } 成。三个牵引相模块构成的VVVF逆变器实现将 直流变换成交流电,而制动相模块构成的斩波器将 : ; i 意图。由图1(a)和(b)看出,其结构部件主要可分 为如下三类:①主电路部件,由GTO、续流管D及 其连接母排与吸收电路构成;②控制电路部件,由 温控部件、双门极控制单元A3和高压驱动单元A1 由异步电机反馈来的制动能量消耗在制动电阻上进 行电制动。两种相模块的基本结构相同,仅在电气 连接与控制上有些差异。 1.1牵引相模块结构 与A2构成;③机械结构部件,主要为散热器底盘及 其他用于固定部件的结构件。 图1是牵引逆变器GTO牵引相模块的结构示 (a)相模块散热器底盘上部件布置图 (b)相模块侧向部件布置图 图1相模块结构 1.2牵引相模块上的接口件 看出:V1与V2是两个主晶闸管GTO1和GTO2; V4和V5为V2和V1(GTO)的续流管;电容C1~ 主电路方面有5个接口端子:P(+)、N(一)、L (~)及C+和C一;控制电路方面有A3上的与DC 140 V电源相连的接线端子X9和与列车控制单元 C4、C5 ̄C6与吸收二极管V5 ̄V6以及与端子C+ 相连的外接电阻R1一起构成低损耗的非对称式 (TCU)相连的10芯电缆座X2及底盘上温控部件 PT100的X5。这些端子要与相模块外部的接口相 连接。 吸收电路;R7和C7是保护V5、V6用的。高压驱动 P V4 Z V2 ———]V6 r1 50( 在相模块的内部有A3上的光缆连接插座B3和 B4,分别对应高压驱动单元的A2和A1上的光缆连接 L V3 j V1 L一——_J CI ,日 V5 R7} C7= 插座;A3上的连线端子一X5和一X6,分别对应高压驱 动单元的A2和A1的连线端子一X2和一X1(经一X2 和一X1直接连入A2和A1单元中)。 1.3主电路分析 N ]——。。 C6』 +cs。 图2相模块主电路图 GTO牵引相模块的主电路图如图2示。由图 ・4n・ i 》篓 糖 ; { } { { { {i 单元A1和A2是直接驱动GTO的驱动单元,通过 A1和A2按PWM规律交替通断V1(G1、01)和V2 (GTO2),可将输入端P与N间的直流电压变换为 输出端L的交流电压。 在非对称式吸收电路中规定G~ 总电容是 均处于断态时,才允许向A1或A2发送触发导通信 号,这也确保电压型逆变器任一桥臂的上下两管的 先断后通的原则。看出这里对GTO的触发信息不 是由光缆发送与传递的。 cH总电容的8~10倍。在具体电路中,C¨=10 F,而C5~6=80 F,满足该规定要求。 1.4控制电路分析 1.4.1控制电路的构成 控制电路框图如图3所示。图中A3为双门极 控制单元,A2和A1为高压驱动单元。其中A3单 元还实现对高压驱动单元A2和A1的逻辑控制, A2和A1是直接驱动GTO的驱动单元。控制电路 的输入电压是由A3上连接插座X9输人,其电压为 直流140 V;A3上的接线端子X5和X6是两个输 出端子,每个接线端子有4根信息输出(电源)线,被 分成两组(四根导线以黑白与红兰四色表示);X5 是输到高压驱动单元A2,而X6是输到高压驱动单 元A1;同时A3上的两个光缆座B3和B4通过相应 的两根光缆LWL分别连向A2和A1上的光缆座, 并且A2和A1上是光缆的发射器,A3上的B3和 B4是光缆的接收器。与TCU相连的10芯电缆座 X2,主要用于传递逆变器相模块和TCu之间的驱 动触发信号和反馈应答信号。 电源 , B3 LWL l x9 lA1 G 140VDC l八 l 一 X5 lK A3 rCU一 ,10 X 2 X6 B4  ̄LLW1-...一 K G 图3控制电路原理框图 1.4.2控制电路原理及光缆的作用 当A3的X9接线座子输入DC 140 V电源时, 输出端子X5或X6的黑白信息线上为±65 V、50 kHz的方波电源(见图4),而红兰信息线上无信号。 此时的A1和A2上的光缆发射器点亮通过光缆发 射光束,让A3上的B3和B4光缆接收器接收到红 外光束;同时A1和A2触发GTO的G与K输出端 子是负偏置,电压约为一14V,即桥臂上两个GTO 是处于断态。所以此两根光缆仅是传递A1和A2 下的GTO断态的状态信息。当A3得知两个GTO 当前目录是A:\ 图4黑白信息线的输出电压波形 通过进一步分析与测试得出,X5或X6端子上 的红兰信息线是传递给GTO通断的触发信号。通 断信息是由与TCU相连的X2接口得到的,然后通 过上述X5或X6的红兰信息线传递给GTO的驱 动单元A2或A1。具体地说,当X2接口得到触发 GTO通断的信息时,X5或X6的红兰线输出触发 信息波形(见图5);将其展开可得导通时有几十 s 宽的强触发信号,关断时有约20 s宽的、幅值约 140 V的反向脉冲,具有足够的关断能量。 当前目录是A: 图5红兰线上输出的触发信息波形(10 V/Div) 1.5相模块电气性能分析及其测试 根据上述分析,在与TCu相连的接口X2上输 人GTO的触发信号,通过A1或A2就可触发GTO 的通与断,并测试GK的触发波形(图6所示);也将 其展开上升沿与下降沿,得到导通瞬间有50 ̄60 s 宽度的强触发脉冲,关断时有强反向电压脉冲,最后 ・41 ・ 墟 轿蓬交避骣 i i 维持约一14 V的反向偏置。这种触发波形符合驱 动GTO的要求[川。 当前目录是 图6 GK触发信号波形(10 一凰一一一一一一V/Di一一v)一 为此,结合主电路(图2)将其连成半桥逆变电 路(图7),当在P与N施以直流电压时,如类似于 TCU按一定规律发出PWM通断信息,经A3及A2 与A1轮流通断GTO1和GTO2,则可在负载电阻 上得到所要求的交流电压波形(见图8所示)。相关 的还测出图7中GTO与电容等各处的波形(略)。 这些正确的波形均可用作判据。 P V2 E2 广 二=_ 一 咽 V6_ L ^R … ^^ 鲁日R1: 圄 V1 7 E1 =+ f_ 一—— 佃 C6{= C5 N 图7 GTO相模块半桥逆变电路 图8 GTO半桥电路的负载波形 ・42・ ; GTO制动相模块的结构与牵引相模块类似,仅 在电气连接上有所不同;两个GTO是并联的,且采 用两者同时通断的触发方式。同样,类似于牵引相 模块的分析得到其相应的各种电气波形(因篇幅关 系,略)。 2逆变器测试装置 2.1基本原理及其结构框图 通过对GTO逆变器各相模块的结构及其接口 关系的分析,掌握了使相模块的工作原理。为此,所 研制的测试装置能使各相模块按类似于其在逆变器 中的工作方式进行工作,以便观察其正确的运 行关系。本测试装置的结构及系统框图如图9 所示。 其中,试验直流电源是利用实验室中原有的容 量为75 kVA的DC 0~2 000 V可调的电源设备; 被试对象是GTO逆变器中的牵引或制动相模块, 或由3个牵引相模块所连成的逆变器;高压屏柜类 似于牵引箱中的预充电电路、输入滤波电感与中问 电路所构成的部分;模拟负载是按牵引电机参数设 计的感性负载;LEM模块也类似于牵引箱中所用的 电压电流传感器的布置方式。测试装置的结构及系 统框图中控制试验台是最重要的组成部分。 LEM X9 ̄/LEM.... 图9测试装置的结构及系统框图 控制试验台要能像牵引箱中牵引控制单元即 TCU那样来操纵与控制GTO逆变器。在这个控制 试验台中,核心部件是基于DSP的类似于TCU去对 、,、,VF逆变器进行PWM控制的控制器。该控制器 的设计是根据牵引电机参数和相应的PWM脉冲控 制模式来做的,在启动初始阶段是异步控制,然后逐 步过渡到中间阶段的同步控制与最后的单脉冲工作 方式。下面详细介绍基于DSP的PWM控制器。 2.2基于DSP的PWM控制器 2.2.1 DSP控制板结构 此控制板采用著名的TI公司专用于电机控制 :壤睡舞 , { { { : { ; : {l i 的DSP TMS320LF24X作为控制核心。该DSP通 过把一个高性能的DSP内核和微处理器的片内外 外部供电电源为5 V,采用电源转换芯片 LT1129CQ一3.3将其转换为DSP所需的3.3 V电 源。晶振频率为10MHz,在DSP内部进行倍频。 复位电路采用MAX706芯片,并和手动复位开关相 连。控制板与外部接口为:模拟电位器接口——将 设集成为一个芯片的方案,使LF240x DSP成为传 统的微控制单元(MCU)和昂贵的多片设计的廉价 替代产品。每秒4 000万条指令的处理速度,使 LF240x DSP控制器可以提供远远超过传统的16 位微处理器的性能。另外,芯片采用单电源3.3 V 电位器输出模拟电压经过信号调理以后,在DSP内 部进行A/D转换,得到期望工作频率;PWM电路 供电,功耗低,具有64 kB的片内闪烁存储器,一般 情况下无需外部扩充程序存储器。 为方便用户的使用,降低开发成本,提高可靠 性,DSP内部结构已经集成了若干外设。如 TMS320C24xx DSP芯片针对数字控制系统应用进 行了优化设计,芯片内已经集成有多个常用外设: (1)一个看门狗定时器,看门狗定时器模块 (WDT),使得在实际使用时不用再外加看门狗电 路,简化了控制电路的硬件设计。 (2)多达16路的10位A/D转换功能,转换速 度在0.5/zs,可选择由两个事件管理器来触发两个 8通道输入A/D转换器或一个16通道输入的A/D 转换器。 (3)控制器局域网络(cAN)2.0B模块。 (4)串行通信接口(SCI)模块,方便与上位机进 行RS232的通信。 (5)TMS320LF2407 DSP芯片包含了两个事 件管理器(EVA和EVB)。这是TI公司C2000系 列DSP最具特色的部分。事件管理器包含通用定 时器、比较单元、捕获单元和正交编码电路等,共可 提供多达14个PWM输出通道。它特别适合运用 在电机控制和运动控制中,能够为各种电机控制提 供方便的脉冲输出方式。 2.2.2 DSP数字控制电路板 针对上述高性能DSP芯片,开发了PWM控制 电路板。其原理框图如图10所示。 图10 PWM控制电路原理框图 接口——将DSP输出的PWM信号经过电平转换, 从而向接口电路提供5 V电平的PWM信号。 2.2.3 PWM脉冲控制模式 根据电机学原理,对交流异步电动机进行变 频调速是一种效率高、控制性能好的理想的调速方 式。在进行变频调速过程中,需要实施电压和频率 的协制,即变压一变频(VVVF)控制。所以在 对逆变器的控制过程中,不仅要控制逆变器输出交 流电的频率,而且要采用PWM方法控制逆变器的 输出电压。本方案根据进口电机的参数及其运行的 不同区域分别实施不同的控制策略:在低频区域,采 用异步调制,以充分利用开关器件的开关频率;随着 频率的升高,异步调制缺点逐渐突出,所以采用分段 同步调制策略,以便在充分利用开关频率的同时获 得较好的输出电压特性;当电机速度达到额定速度 时,逆变器输出电压也达到最大值,在继续升速的过 程中,电压维持在最大值不变,所以采用单脉冲控制 方式。 逆变器中所用的GTO器件,其工作频率要限 定在435 Hz以内,为此根据其限定频率来设定脉冲 频率与定子频率之间的关系。具体而言:设定异步 调制区域在0~25 Hz,脉冲频率恒定为400 Hz;在 分段同步调制区域,载波比为7的工作区域为25~ 30 Hz,对应的开关频率设定为175~210 Hz;然后 随着频率的上升,载波比从7逐渐过渡到5和3,最 后在额定频率61 Hz以上的范围内,采用单脉冲工 作方式,相当于载波比为1。 2.2.4试验波形 根据设定要求编制相应的软件,并在其控制电 路板上调试,得到的试验波形如图11所示。如将其 通过接口电路与被试对象相连就可对逆变器或其相 模块进行相应的测试,获得所需的电气波形,进行判 断。图中(左侧的):1和2分别为U相和V相的波 形,M为两相之差的波形。 ・43・ 辗避交遣舞; l { ; (a)异步调制的PWM' ̄形(脉冲频率400 Hz) (b)单脉冲(方波)运行区域时的波形图 图11 DSP的PWM控制器的输出波形 3结语 (1)牵引逆变器的测试装置,尤其是对其核心 相模块的测试,是目前地铁运营维修部门很需要的 波形进行比较,以作出正确与合理地判断。 (4)本装置虽是针对AC 01/02型交流传动电 动列车GTO牵引逆变器设计用的,但对目前均已 采用高压IGBT(HVIGBT)的交流传动车辆上的 IGBT牵引逆变器来说,同样具有重要的参考与应 用价值。 检修设备。因为在向国外制造公司购买地铁车辆时 是没有相应的测试装置提供的。 (2)本测试装置可对逆变器及其核心相模块进 行电气功能上和性能上的测试与判断。 参考文献 [1]余强,陶生桂.地铁车辆上两种典型GTO驱动电路的对比分 析[J].变流技术与电力牵引,2006(1):28. (3)在地铁车辆进人架修、大修周期时,运营维 修部门很需要这种测试装置,用来对检测逆变器核 心相模块的电气功能与性能进行判断,还可将其各 组成部件的电气波形与对正常模块测试所获的电气 (上接第38页) (收稿日期:2008—06—13) 掘技术研究I-J].铁道科学与工程学报,2005,2(1):79. 参考文献 Wook Wie,Roger L Tobin.Dynamic congestion pri- [1] Byung-[6] 史峰,郑国华,谷强.铁路客票最优动态票价理论研究[J].铁 道学报,2002,24(1):1. cing models for general traffic networks[J-].Transportation Research Part B:Methodological,1998,32(5):313. anchi R.Jara—Diaz S R.Ortfzar J de D.Mod[2] Bielling new [7] 文曙东,张秀敏,王涛.运输网络最优价格组合研究[J].武汉 理工大学学报:交通科学与工程版,2005,29(1):I33. [8] 李宏,李杰,么卫良,等.城市公交票价调整对改善交通拥堵 作用的探讨[J].华中科技大学学报:城市科学版,2006,23(增 1):70. pricing strategis for ethe Santiago MetroLJ].Transport Poll— cy,1998,5(4):223. guin—Veras,Qian Wang,Sing Xu,et a1.The impacts [3] Jo Holof time of day pricing on the behavior of frei ght carriers in a [9] 王炜.城市交通管理规划指南[M].jE京:人民交通出版 社,2003. congested urban area:Implications to road pricing[J].Trans— ortatipon Research Part A:Policy and Practice,2006,40 -M].北京:中国铁道出版社,2006. 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