城市轨道交通车辆系统牵引逆变器专用测试平台研究*

吴 浩 王 泉 王睿轶 潘洪亮

（1.上海地铁电子科技有限公司，200233，上海；2.同济大学（国家）磁浮交通工程技术研究中心，201804，上海，//第一作者，高级工程师）

城市轨道交通车辆系统牵引逆变器专用测试平台研究*

吴 浩1王 泉1王睿轶1潘洪亮2

（1.上海地铁电子科技有限公司，200233，上海；2.同济大学（国家）磁浮交通工程技术研究中心，201804，上海，//第一作者，高级工程师）

根据城市轨道交通车辆系统牵引逆变器的结构组成和技术特点，研究设计了一种方便实用的车辆系统牵引逆变控制器专用测试平台。详细说明了该测试平台的组成，阐述了测试内容及过程。该测试平台通过生成牵引逆变控制器主回路运行所需要的电源输入和功率负载以及相应的控制逻辑，对车辆系统牵引逆变器主回路控制功能进行测试，从而对牵引逆变器主回路运行的控制逻辑和控制效果进行离线测试，以判断其功能是否正常以及相应的故障情况。使用该测试平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设备大修要求。

城市轨道交通车辆；牵引逆变器；功能测试；故障检测；专用测试平台

牵引逆变器在城市轨道交通车辆系统的牵引控制中得到广泛应用。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［1］。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［2-3］。

在牵引逆变器各组成部分中，牵引电子控制模块、牵引逆变模块和牵引制动模块是最重要的。这3个模块也是功能检测、故障诊断以及维修更换的难点。目前，这些模块的检测主要依赖国外厂商提供的专用检测仪器，且存在故障检测不完备、响应不及时等缺陷［4］。此外，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。

本文设计了一种车辆系统牵引逆变控制器的专用测试平台（以下简称“专用测试平台”），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设备大修要求。专用测试平台可生成牵引逆变控制器主回路运行所需的电源输入、功率负载及相应控制逻辑，能实现对车辆系统牵引逆变器主回路控制功能的测试，从而实现对牵引逆变器主回路运行的控制逻辑和控制效果的离线测试，进而判断其功能是否正常，并分析相应的故障情况，为牵引逆变器的维修和维护带来便利。

1 牵引逆变器概述

城市轨道交通车辆系统常采用的VVVF（可变频变压）牵引逆变器，可在牵引时可将高压直流电变为频率和电压可调的三相电供给牵引电动机使用，在制动时可把列车惯性带动牵引电机旋转发出的三相电能转换为直流电反馈回电网或通过能量消耗模块消耗掉［5］。

牵引逆变器由驱动控制单元（DCU）和逆变器保护单元（UNAS）控制。DCU和UNAS安装于动车的车厢内。DCU和IGBT（绝缘栅双极型晶体管）门极控制单元间的触发和反馈信号采用光纤传输。光纤传输既可提高信号抗干扰能力，又有隔离作用。其他信号以电信号方式传输［6］。

目前，城市轨道交通车辆牵引逆变器的典型主电路主要有3种：采用1个变流器模块驱动4台牵引电机（1C4M）的车控方式的主电路，采用2个变流器模块驱动4台牵引电机（2C4M）的架控方式的主电路，以及采用2个变流器模块驱动4台牵引电机（2C4M）的车控方式的主电路［7］。

2 专用测试平台结构组成

专用测试平台包括电源生成系统、控制生成系统和负载生成系统3部分，测试对象为组成牵引逆变控制器的牵引变流器单元和辅助变流器单元。专用测试平台的系统组成框图如图1所示。

图1 专用测试平台的系统组成框图

2.1 电源生成系统

电源生成系统由保护控制柜、调压器柜、整流电源柜和隔离开关柜等组成（如图2所示）。在进行牵引逆变控制器功能测试和故障检测过程中，电源生成系统能根据牵引变流器单元和辅助变流器单元的功率测试需要生成相应的电源供电方案。外部电源接入测试装置后，经调压器调节成0～660 V的交流电压，通过整流电源柜三相全桥整流成0～1 800 V的直流电源。保护控制柜对电源进行保护和控制。隔离开关柜为试验用电源最后一级投入与切除，并提供安全放电功能。各组成部分的主电路图如图3～5所示。主电路图中，K及L为直流接触器，F为熔断器，V为电压传感器，A为电流传感器，TF为隔离变压器，R为放电电阻，T为接线端铜排。其中，整流电源柜的主电路如图3所示。隔离开关柜的主电路如图4所示。隔离开关柜由主隔离开关IES1，下级隔离开关IES2，IES3，及接地开关 IESGND组成。隔离开关柜中投切输入输出主电路如图5所示。

图2 电源生成系统组成图

图3 整流电源柜主电路图

图4 隔离开关柜主电路图

2.2 控制生成系统

控制生成系统由手动控制屏、手动控制柜、PLC（可编程逻辑控制器）控制柜、变流器控制逻辑适配器及PC端测试控制软件等组成（如图6所示）。

控制生成系统能根据牵引逆变器功能测试和故障检测的要求，产生相应的测试控制逻辑和反馈信号检测，并进行测试检测结果的逻辑判断。专用测试平台提供自动和手动两种控制方式。PLC控制柜负责自动控制，手动控制柜和手动控制屏负责手动控制。

图5 隔离开关柜的投切输入输出主电路图

图6 控制生成系统组成图

2.3 负载生成系统

负载生成系统由中间接触器模块、制动电阻负载、牵引电机负载、蓄电池负载及辅逆电阻负载等组成（如图7所示）。

图7 负载生成系统组成图

牵引电机负载模拟牵引逆变器的电机负载，可作为牵引变流器单元轻载出力试验的负载。辅逆电阻负载模拟辅助变流器单元的电阻负载，可作为辅助变流器交流轻载出力测试的负载。制动电阻负载作为牵引逆变器再生制动功能测试的负载。蓄电池负载除可测试辅助变流器交流轻载出力外，还可作为中间接触器控制使用。中间接触器模块提供相应的控制功能。

图8为牵引逆变器模拟电机负载的牵引变流器负载主电路。牵引逆变器负载电路使用感性阻性负载测试其出力。

图8 牵引变流器负载主电路

图9 表示的是辅助变流器负载主电路。辅助变流器负载电路三相交流输出使用纯阻性负载测试其出力。直流输出使用纯电阻及蓄电池组作为负载。

图9 辅助变流器负载主电路

3 测试内容及过程

3.1 测试内容

专用测试平台测试内容包括：

（1）对功率模块进行静态测试：对某一相的上臂或下臂的单个IGBT进行饱和电流测试，测试IGBT的相应特性。

（2）对牵引模块进行逆变测试：向牵引逆变器功率模块输出连续PWM波形，控制IGBT开关，测试牵引变流器单元带载情况下的IGBT的连续工作状态。

（3）对制动模块进行斩波测试：向牵引逆变器功率模块输出连续PWM（脉宽调制）波形，控制IGBT开关，测试PIM2模块带载情况下IGBT的连续工作状态。

3.2 测试过程

牵引逆变控制器专用测试平台的实施过程可分为系统初始化、人工手动控制测试和PLC自动控制测试3个环节。

3.2.1 系统初始化

牵引逆变控制器专用测试平台上电后，先由控制生成系统生成牵引逆变器的启动仿真信号，再实行一系列的测试装置初始化过程。具体过程为：

（1）对测试装置设备进行初始化设置。具体包括电源生成系统、功率生成系统、手动控制屏、手动控制柜、PLC控制柜、变流器控制逻辑适配器及PC端测试控制软件等各组成部分的初始化。使测试装置各组成部分在低压状态下进行自检，以确认测试装置工作状态正常。

（2）对牵引控制器进行初始化自检，进行牵引逆变控制器与测试装置的通信状态自检测。

（3）检测牵引控制器是否正常接收牵引及制动、惰行等硬线指令，检测牵引控制器发送给车辆的硬点信号是否正常。

（4）在低压状态下，对测试装置各组成设备进行功能自检测（如接地状态检测、高压电源开关检测、高速断路器动作检测、线路接触器动作检测等）。

3.2.2 人工手动控制测试

牵引逆变控制器专用测试平台的人工手动控制测试具体过程为：

（1）电源系统手动控制：测试装置总电源与控制系统上电，操作调压器柜的主电源升压与降压，将电源电压调节到1 500 V。

（2）负载系统手动控制：投入负载冷却系统，根据测试需要，实时对单个设备进行操作，手动操作各负载投入与切除。

（3）对牵引逆变器冷却进行控制：操作测试装置给牵引逆变器冷却风机供电，并手动操作牵引逆变器控制箱使冷却风机工作。

（4）对牵引逆变控制器的手动控制：通过硬线信号向牵引逆变控制系统提供牵引、制动、前行及后退等牵引指令，同时给出牵引力大小及速度指令，并观察牵引逆变控制器的运行状态。

3.2.3 PLC自动控制测试

自动控制测试的步骤为：牵引逆变控制器低压自检测试→电源系统启动→电压自动调整至1 500 V→给牵引逆变控制器供电→投入相应负载→给牵引逆变控制器牵引力指令、速度指令。

（1）负载生成系统的自动控制：根据牵引逆变控制器的运行工况，实时自动投入或切除相应的负载。

（2）牵引逆变控制器的自动控制：通过PLC将信号发至牵引逆变控制器与测试装置；不断切换网压侧电压及牵引力大小，从而获得不同输入电压及输出百分比下对牵引逆变控制器的影响及模拟负载的输出电流；确认所测试的牵引逆变控制器是否功能正常。

在自动控制测试控制过程中，一系列的传感器和检测电路将控制结果反馈给PLC控制柜，经过处理后生成的检测信号被发送给PC端测试控制软件，以进行测试效果判断。

4 结语

专用测试平台通过生成牵引逆变控制器主回路运行所需要的电源输入功率负载及相应的控制逻辑，能实现对车辆系统牵引逆变器主回路控制功能进行测试，从而实现对牵引逆变器主回路运行的控制逻辑和控制效果进行离线测试，以判断其功能是否正常，并分析相应的故障情况。

与现有技术和检测手段相比，专用测试平台充分考虑了牵引逆变器工作条件和控制流程，模拟牵引逆变器实际工作状况和运行状态，实现了牵引变流器和辅助变流器的功能测试和故障诊断，能够实现快速功能测试和故障检测。通过专用测试平台的离线检测，可节约大量的线路占用时间，还可简化安装操作流程等，从而节约成本、提高效率，大大提高了城市轨道交通系统的运行能力和维修保障能力。

专用测试平台可推广应用于城市轨道交通牵引逆变器的设备检测和维修保障，方便维护技术人员快速掌握牵引逆变器的功能状态和故障情况，实现牵引逆变器的快速维修。

［1］ 山厚升.轻轨列车牵引逆变系统几种故障原因分析［C］//大连理工大学，大连交通大学，中国旅美交通协会.第六届交通运输领域国际学术会议论文集（下卷）.大连：大连理工大学，大连交通大学，中国旅美交通协会,2006：6.

［2］ 朱小娟，陶生桂.AC01/02型电动列车牵引逆变器测试装置研制［J］.城市轨道交通研究，2008，11（12）：39.

［3］ 平建祥.ONIX1500型牵引逆变器IGBT驱动匹配技术研究［J］.中国设备工程，2014（11）：40.

［4］ 吴茂杉.国内城轨车辆电传动系统主要问题分析［J］.变流技术与电力牵引，2007（1）：7.

［5］ 翁星方，忻力，胡家喜，等.简统化地铁车辆 IGBT牵引逆变器［J］.机车电传动，2011（3）：44.

［6］ 胡引娥，程有平.广州地铁 1号线车辆的牵引逆变器［J］.机车电传动，2003（1）：42.

［7］ 翁星方，邹档兵.城市轨道交通车辆牵引逆变器的技术发展［J］.机车电传动，2012（1）：47.

Special Test Platform for Traction Inverter of Urban Rail Transit Vehicle System

WU Hao，WANG Quan，WANG Ruiyi，PAN Hongliang

According to the structural and technical characters of traction inverter，a convenient and practical test platform for traction inverterofurban railtransitvehicle system is designed.In this paper,the structure and test content of the platform are described，which tests the control functions of the traction inverter system （MLTIS）on the main loop，through generating the power input and power load needed by MLTIS，and the corresponding control logic.The platform runs offline test for control logic and control effects of MLTIS to determine whether the traction inverters′function is normal so as to identify the related faults.This platform could detect inverters′functions quickly and identity the faults of traction inverter controller，finally meet the overhaul requirements of function test and fault detection of traction inverters and other equipment.

urban rail transit vehicle； traction inverter；functional testing；fault detection；special test platform

First-author′s addressShanghai Metro Electronic Technology Co.，Ltd.，200233，Shanghai，China

U264.3+7；TM464

10.16037/j.1007-869x.2017.12.021

*上海申通地铁集团科研项目（JS-KY12R023）

2016-12-25）