城轨车辆逆变器控制单元故障维修分析

王烟平，李宇波

（1 长沙市轨道交通运营有限公司，湖南长沙410000；2 深圳市地铁集团有限公司运营分公司，广东深圳518052）

城轨车辆逆变器控制单元故障维修分析

王烟平1，李宇波2

（1 长沙市轨道交通运营有限公司，湖南长沙410000；2 深圳市地铁集团有限公司运营分公司，广东深圳518052）

介绍了电子板件的常见故障和维修方法及在城轨车辆逆变器控制单元维修中的应用，结合研制的测试平台，提出了城轨车辆逆变器控制单元维修的思路。

维修；逆变器控制单元；测试平台

逆变器控制单元（DCU）是车辆牵引控制的核心部件，它是整个逆变器模块的控制中心，发生故障时导致车辆失去牵引电源和辅助电源，造成车辆失去动力以及空调、空压机停机，它工作状态的好坏直接影响到车辆的正常运行。

DCU经过几年的运营之后，由于各种原因会导致不同类型的故障。本文介绍了庞巴迪车辆DC U的工作原理及功能，以及对不同类型的故障提出了相应的解决方法，总结了板件维修的思路和经验，有效解决了DCU控制单元各类型故障。

1　逆变器控制单元方框图

目前国内多家地铁运营公司采用的是庞巴迪列车（如：广州地铁2号线、深圳地铁1号线），DCU为进口板件，供应商未提供电气原理图，给维修增加一定难度。现主要针对DCU的PCB电路板进行分析研究，绘制原理方框图见图1。

图1　DCU方框图

2　逆变器控制单元工作原理及功能

2.1DCU控制单元原理

DCU控制单元是一个复杂的连锁系统，其采集和监控的每一路模拟或数字信号都必修符合设计逻辑，一旦某路信号不符合设计逻辑或出现异常，就说明逆变器出了故障，DCU根据故障类型分别给出不同的报警信息在车辆人机界面（HMI）显示。

2.2DCU主要实现以下功能

（1）输入信号和输出信号的处理；

（2）牵引和制动运行的控制和调节；

（

3）保护和监控；

（4）诊断和自检；

（5）测量速度；

（6）故障诊断和故障存储。

3　逆变器控制单元简易测试平台搭建

3.1简易测试平台原理方框图（见图2）

通过分析逆变器控制单元电源与通信接口定义，搭建逆变器控制单元的简易测试平台，通过恒流源模拟外部传感器电流输入，借助DCU Term维护软件实时查看各个变量数值的变化等，为逆变器控制单元故障的分析、测量和故障类型判断提供有力条件。

图2　简易测试平台

3.2测试装置辅助插头主要功能实现

（1）通过频率发生电路模拟1 000，500，250和125 Hz信号输入DCU边插速度传感器的各接入点；

（2）通过可调电阻接入DCU边插温度传感器的各接入点；

（3）通过恒流源电路产生4，10，15，20 mA的电流输入DCU边插电流、电压传感器的各接入点，同时牵引级位PWM参考值（4～20 mA）也采用恒流源信号接入。

（4）通过电源模块给DCU提供直流110 V、±24 V工作电源；

（5）通过短接跳线给DCU边插赋予地址指令；

（6）各种需要高电平且需维持的指令均通过DC110V直接赋予；

（7）通过DCU Term维护软件刷新DCU操作系统及应用软件；

（8）通过DCU Term维护软件实施DCU各项功能检测及故障数据下载等。

4　逆变器控制单元典型故障及维修

4.1电源类故障

电源的工作状态直接关系到DCU板件运行工况，一旦发生故障，将会导致DCU板件停止工作，封锁逆变脉冲，跳高速断路器，整个逆变器报严重故障，车辆失去牵引动力等，严重影响车辆正线运营。

图3　DCU电源电路

针对电源故障展开维修工作，发现此类故障通常是电源调整IC芯片及电容击穿短路造成。采用直观法对DCU板进行检查，是否发现元器件异常，如无异常，则采用无电电阻法，即用万用表检测图3中元器件C1～C10电阻值，一般电容击穿后，电阻值会很小，可以轻易判断。对于L2952电源芯片的检测，首先是测量Uin、Uout和GND引进之间的电阻，根据经验，电阻值应大于1 kΩ，如果电阻值只有几十欧姆甚至更小，可以判断芯片内部击穿损坏，更换相应芯片即可。如果电阻值没有明显的变小，需要通电进行电压测量，Uout电压为15 V，如果电压偏高或偏低，应更换相应芯片。更换相应元器件后需用电阻法再次进行测量，确认没问题则可进行短时间通电试验，用电流法监测±24 V输入电流，电压法监测±15 V是否正常。

4.2通信类故障

发生通信故障时，车辆维护软件无法通过端口下载故障数据，以及无法更新DCU操作系统和应用软件，严重影响车辆故障数据分析和运营维护。通信接口原理图见图4。

图4　DCU通信接口

通信电路主要包括通信收发芯片、隔离保护电路，其中易损坏的为收发芯片，带有隔离元件的收发芯片故障率较低，大多数收发芯片直接对外连接，静电、瞬变电压都可能对芯片造成损坏。

当RS232端口无法连接电脑维护软件时，可通过计算机端口调试软件向R S232端口发送数据（设置正确的波特率），采用波形法检测接口转换芯片的输入输出是否正常、光电隔离部分的输入输出是否正常，这样可判断电子板件通讯端口收发通道哪些部分器件损坏。其次，采用电压法也可简单判断芯片的好坏，根据经验ST202E B其发送和接收管脚（T1OUT、R1IN）电压范围为-9～+9 V间，U+电压为+10 V左右，U-电压为-10 V左右，如不符，可以替换该芯片进行测试。

4.3LINE TRIP故障

LINE TRIP故障会导致高速断路器合不上，车辆失去牵引动力。

一般情况下，是由于LINE TRIP继电器损坏及继电器驱动电路损坏造成，见图5。电阻法检测LINE TRIP继电器线圈阻值是否正常，继电器吸合后检测常开触头阻值应少于0.5 Ω，如不符则更换继电器。驱动部分电路，采用电压法，在通电后检查继电器线圈两端是否有电，如无电则检查继电器驱动电路图中Q1、Q2是否损坏以及测量CPU控制信号是否发出。

图5　Line Trip控制电路

4.4Udc电压偏差过大故障

Udc电压正偏过大，DCU控制单元会认为中间电压过压，频繁开启斩波器，导致制动电阻过热发生故障，DCU控制单元同时会授权切除电制动，严重影响车辆制动效果和性能。

Udc电压负偏过大，当网压升高及再生制动引起中间电压升高时，DCU控制单元会认为中间电压不足，将不会开启斩波器，网压和中间电压差值过大，导致DCU硬件保护故障，封锁牵引逆变脉冲，车辆失去牵引动力。

针对Udc电压偏差问题进行分析，故障主要原因是由于DCU板模拟数据采样及模数转换电路（AD7441BR）损坏造成。图6中，R1是I/V取样电阻，MC33274是运放芯片，AD7441BR是AD芯片。电压传感器输出的电流信号在取样电阻上转换为电压，进入运放芯片（电压跟随器）进行阻抗转换，再送至AD7441BR芯片，实现模拟信号转数字信号，最后送处理器处理。如果转过程出现异常，就会造成最终的Udc电压测量不准。

图6　电压测量取样电路

采用无电电阻法检测元件R1取样电阻值是否开路，芯片MC33274、AD7441电源供电引脚和地之间的电阻值，根据经验应大于1 kΩ，如有异常应替换芯片进行测试。采用信号注入法进行动态检测，即采用恒流源（4～20 mA）连接CON2接口输入恒电流，电压表监测MC33274输出电压Uin、频率计或者示波器测量AD输出频率fout，同时连接计算机维护软件DCU Term查看Udc电压值，随着输入端的恒电流变化，Udc电压应跟随变化。

5　逆变器控制单元故障维修流程

根据维修经验，逆变器控制单元的故障维修流程，从直观法、电阻测量法、波形法等方面进行测试，形成完善的故障处理流程（见图7）。

图7　故障处理流程

6　结束语

（1）在目前车辆核心电子板件垄断的情况下，检修人员通过对DCU控制单元典型故障的分析，采用有效的维修方式，对DCU控制单元的修复起着至关重要的作用。

（2）维修DCU控制单元创造了良好的经济效益，典型故障的分析与维修对同行具有指导意义和参考价值。

［1］ 长客—庞巴迪轨道车辆有限公司.深圳地铁一期工程维修保养、检修及大修手册［Z］.长春：长客—庞巴迪轨道车辆有限公司，2007.

［2］ 王成安，王洪庆.电子元器件检测与识别［M］.北京：人民邮电出版社，2009.

［3］ 范次猛.机电设备电气控制技术—基础知识［M］.北京：高等教育出版社，2009.

Maintenance Analysis of Metro Vehicle Inverter Control Unit

WANG Yanping，LI Yubo
（1 Changsha Railway Rolling Stock Co.，Ltd.，Changsha 410000 H unan，China；2 Operating Branch of Shenzhen Metro Group Co.，Ltd.，Shenzhen 518052 Guangdong，China）

This paper introduces normal error and maintenance method of electronic device and Drive Control Unit（DCU）maintenance of metro vehicle.On the designed test platform，the maintenance flow of DCU is proposed.）

maintenance；DCU；test bench

U239.5

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.20

1008-7842（2015）04-0087-04

3—）男，助理工程师（

2015-01-12）