蘇州地鐵牽引逆變器大修維修策略研究

李蘇隴

摘要：隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，作為改善各大、中城市交通狀況的城市軌道交通系統(tǒng)迎來了一段飛速發(fā)展期。作為運(yùn)輸主體的地鐵車輛的中、大修維護(hù)逐漸成為各地鐵公司重點(diǎn)研究的課題。本文內(nèi)容主要對(duì)蘇州1號(hào)線牽引逆變器大修的維修方式、策略制訂等進(jìn)行分析闡述，為后續(xù)項(xiàng)目牽引系統(tǒng)大修維護(hù)提供必要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城軌車輛;牽引逆變器;大修;維修策略

一、引言

蘇州軌道交通1號(hào)線自2012年4月28日開始運(yùn)營至2020年底，運(yùn)營時(shí)長近9年，主線車輛運(yùn)營里程近100萬公里。運(yùn)營時(shí)長及運(yùn)營里程兩項(xiàng)指標(biāo)均接近了車輛大修標(biāo)準(zhǔn)（走行里程數(shù)120萬公里或者運(yùn)營年限10年）。因此，自2020年10月始蘇州1號(hào)線一期電客車正式進(jìn)入首輪大修，計(jì)劃用時(shí)3年完成一期25列電客車的大修工作。

作為電客車最重要的核心系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)部件狀態(tài)的優(yōu)劣直接影響列車的運(yùn)營質(zhì)量。牽引逆變器作為牽引系統(tǒng)的核心，合理的制定維修范圍、明確維修標(biāo)準(zhǔn)是確保牽引逆變器箱大修維修質(zhì)量的關(guān)鍵。同時(shí)通過大修過程對(duì)各子部件的維修數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，為后期維修策略制定、部件替換等提供必要的理論支撐。

二、牽引逆變器箱概述

蘇州一號(hào)線牽引逆變器主回路采用PWM控制的三相全橋逆變電路，每輛動(dòng)車裝有兩臺(tái)牽引逆變器箱，每個(gè)牽引逆變器箱內(nèi)部裝有一臺(tái)逆變器模塊，每臺(tái)牽引逆變器控制安裝在同一轉(zhuǎn)向架的兩臺(tái)三相異步牽引電機(jī)。根據(jù)主電路各部分功能，牽引逆變器主電路可以分為功率輸入電路、電壓源直流回路、制動(dòng)斬波電路以及逆變電路。主電路原理如下圖所示：

三、牽引逆變器維修策略及標(biāo)準(zhǔn)制訂

根據(jù)牽引逆變器結(jié)構(gòu)組成，牽引逆變器大修內(nèi)容可以分為箱體、線纜檢修、電氣部件檢修、逆變器模塊檢修、冷卻風(fēng)機(jī)檢修及整箱功能測試等。維修簡要流程圖如下圖：

牽引逆變器箱進(jìn)入維修廠房后，首先進(jìn)行入廠登記，記錄箱體編號(hào)、入庫日期等信息，同時(shí)對(duì)牽引逆變器進(jìn)行入廠測試，以確定牽引逆變器的初步狀態(tài)。其次，根據(jù)初檢的測試情況，完成箱體分解。然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并對(duì)各核心部件進(jìn)行清潔、檢修、更換、測試等維護(hù)。最后將各部件組裝并進(jìn)行性能測試，形成測試記錄及出具維修合格證。下文將對(duì)主要部件維修過程中的維修策略進(jìn)行簡要闡述：

3.1.箱體及線纜維修

箱體維修主要包含箱體、蓋板外觀清潔及檢查、箱體吊掛位置檢查及探傷、蓋板密封膠條更換、風(fēng)道及濾網(wǎng)清潔以及箱體外表面的整體油漆處理等。

線纜維修主要包含線纜外觀及線號(hào)檢查、線纜連接器插頭及插針情況、線纜絕緣情況等。

3.2.功率輸入電路維護(hù)

功率輸入電路維護(hù)主要包括構(gòu)成電路的接觸器、電抗器、電阻、供電電源、EMC電容等電氣部件的維護(hù)。

3.2.1接觸器維護(hù)

接觸器維護(hù)分為高壓直流回路接觸器維護(hù)和低壓控制回路接觸器維護(hù)。直流回路接觸器維護(hù)主要以觸點(diǎn)維護(hù)為主，大修過程中建議對(duì)觸點(diǎn)進(jìn)行更換。更換的動(dòng)靜觸頭均需對(duì)觸點(diǎn)間隙、吸合后觸頭接觸面積、吸合時(shí)間、接觸電阻等參數(shù)進(jìn)行測量。低壓控制接觸器可以根據(jù)接觸器的電氣壽命、故障情況等綜合考慮是否更換，目前蘇州項(xiàng)目按照必?fù)Q標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

3.2.2電抗器、濾波電容維護(hù)

電抗器維護(hù)以電抗器絕緣性能和電抗器性能測試為主。濾波電容大修維護(hù)中采用直接換新策略，換新后的電容需對(duì)電容參數(shù)及絕緣性能進(jìn)行測試，確保符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3電源、電阻器維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

電源以及電阻器的維護(hù)主要以性能參數(shù)測量為主，確保各部件參數(shù)符合使用標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 IGBT功率模塊維護(hù)

IGBT功率模塊是牽引逆變器的核心部件，主要由逆變電路、斬波電路組成。主要包括組成牽引電路的IGBT A1-A6，斬波電路IGBT A7、A8，二極管A9等半導(dǎo)體器件，配合驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電路板，以及牽引逆變器主電路所需的母排、支撐電容、電流傳感器等部件組成。牽引模塊的維修流程如下圖：

3.3.1 IGBT及二極管檢修

IGBT，是由BJT和MOS組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，具有高輸入阻抗、低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)。因此IGBT的檢修重點(diǎn)是根據(jù)IGBT對(duì)應(yīng)規(guī)格參數(shù)的性能標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其靜態(tài)參數(shù)（柵-發(fā)閾值電壓、集-發(fā)截止電流、柵-發(fā)漏電流、集-發(fā)飽和電壓等）、動(dòng)態(tài)參數(shù)（開通時(shí)間ton、開通延遲時(shí)間td（on）、上升時(shí)間tr、關(guān)斷時(shí)間toff、關(guān)斷延遲時(shí)間td（off）、下降時(shí)間tf）進(jìn)行測試。目前蘇州地鐵一號(hào)線牽引逆變器IGBT為以下兩種：牽引IGBT型號(hào)為三菱CM1200HC-66H、斬波IGBT型號(hào)為英飛凌FZ800R33KF2C，二極管型號(hào)為DD400S33K2C。

3.3.2 IGBT驅(qū)動(dòng)板檢修

根據(jù)原理及結(jié)構(gòu)圖，牽引模塊驅(qū)動(dòng)板可分為電源驅(qū)動(dòng)板、IGBT驅(qū)動(dòng)板、母線電壓檢測觸發(fā)板。

3.2.1 觸發(fā)板維修

觸發(fā)板用于SVPWM控制的母線電壓參數(shù)監(jiān)測，對(duì)母線過壓、欠壓等進(jìn)行保護(hù)。觸發(fā)板采用電阻分壓輸入電路采集母線電壓值，通過隔離運(yùn)算放大器電路進(jìn)行調(diào)理，再將調(diào)理后的母線電壓信號(hào)傳輸至逆變器控制器，具有較高的線性度和低失真特性。大修維修過程中需要重點(diǎn)對(duì)電路中的分壓電阻、濾波電容、隔離運(yùn)算放大器等部件狀態(tài)進(jìn)行檢測，使得電壓范圍和濾波效果滿足控制器要求。

3.2.2 IGBT電源板維修

IGBT電源板為保護(hù)電路提供基準(zhǔn)穩(wěn)壓電壓，為脈沖振蕩電路和故障反饋電路提供電壓，通過電源電路、保護(hù)電路、故障檢測，反饋電路、脈沖振蕩電路以及逆變輸出電路等形成交變電壓為牽引逆變驅(qū)動(dòng)板供電。電源板維修過程中需要重點(diǎn)對(duì)電路中電容、反向二極管、場效應(yīng)管以及驅(qū)動(dòng)芯片等進(jìn)行測試分析，確保電源板輸出電壓符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3 IGBT驅(qū)動(dòng)板

逆變驅(qū)動(dòng)板應(yīng)用在牽引驅(qū)動(dòng)模塊，用于驅(qū)動(dòng)大功率IGBT器件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收、開關(guān)控制進(jìn)而驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)實(shí)現(xiàn)牽引功能。逆變驅(qū)動(dòng)板主要由電源、信號(hào)接收、信號(hào)傳輸、功率放大、異常偵測等部分組成。該驅(qū)動(dòng)板無故障反饋功能，發(fā)生故障后驅(qū)動(dòng)板保護(hù)，關(guān)斷IGBT，靠ICU檢測電流判斷是否異常。維修過程中重點(diǎn)對(duì)整流二極管、穩(wěn)壓芯片、分壓電容、濾波電容以及光纖接口等進(jìn)行檢測，確保驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)電壓符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 傳感器檢修

牽引模塊共包含四個(gè)霍爾電流傳感器，分別對(duì)母線輸入電流、三相輸出電流、制動(dòng)斬波電流進(jìn)行檢測。電流傳感器的精度直接影響牽引逆變器的功能，因此大修過程中需要對(duì)傳感器的精度進(jìn)行檢測。

3.4 牽引模塊檢測

牽引模塊組裝后需要對(duì)基本功能及核心部件進(jìn)行檢測，主要包括以下內(nèi)容：絕緣耐壓測試、弱電功能測試（反并二極管測試、IGBT測試、驅(qū)動(dòng)板測試）、脈沖及老化性能測試。流程圖如下：

3.4.冷卻系統(tǒng)部件維護(hù)

每個(gè)牽引逆變器冷卻回路都有一臺(tái)冷卻風(fēng)扇，主要組成為一個(gè)三相交流電機(jī)和一個(gè)葉輪。大修時(shí)需要對(duì)風(fēng)機(jī)葉片和葉輪探傷，并在更換電機(jī)軸承后進(jìn)行動(dòng)平衡測試，確保風(fēng)機(jī)振動(dòng)值符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.5.整箱功能測試

牽引箱完成維修后需要對(duì)整箱的功能進(jìn)行測試，測試可以分為兩大部分，靜態(tài)測試和動(dòng)態(tài)測試。靜態(tài)測試主要包括線纜的絕緣耐壓測試、控制回路測試、接觸器回路測試等;動(dòng)態(tài)測試主要包括主回路通電測試、冷卻回路測試等內(nèi)容。通過上述測試確保牽引逆變器各項(xiàng)功能正常，能夠正常運(yùn)行。

四、結(jié)語

上文對(duì)蘇州項(xiàng)目牽引逆變器大修策略做了簡單的闡述，項(xiàng)目目前已經(jīng)按照維修標(biāo)準(zhǔn)開始執(zhí)行，已經(jīng)完成維修的牽引逆變器已經(jīng)裝車并無故障運(yùn)營近半年時(shí)間，整體維修質(zhì)量及設(shè)備狀態(tài)可靠性均能夠滿足正常運(yùn)營需求。間接證明了上述維修策略的可靠性。同時(shí)通過大修過程中箱體主模塊IGBT部件、驅(qū)動(dòng)板等狀態(tài)的檢測分析，為后續(xù)壽命評(píng)估以及國產(chǎn)化替代提供了必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為后續(xù)降低運(yùn)營維修成本提供了必要的研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇州1號(hào)線牽引逆變器維護(hù)手冊(cè)

[2]蘇州1號(hào)線牽引逆變器箱大修委外項(xiàng)目技術(shù)冊(cè)