地鐵牽引功率模塊測試系統(tǒng)設(shè)計

王 泉 李旭光

(1.上海交通大學(xué)電氣工程系,200240,上海; 2.上海地鐵電子科技有限公司,200233,上?！蔚谝蛔髡?，工程師)

地鐵牽引功率模塊測試系統(tǒng)設(shè)計

王 泉1,2李旭光1

(1.上海交通大學(xué)電氣工程系,200240,上海; 2.上海地鐵電子科技有限公司,200233,上海∥第一作者，工程師)

地鐵牽引系統(tǒng)主要由牽引逆變器提供動力,牽引功率模塊是其中的核心主電路部分。介紹了一種地鐵牽引系統(tǒng)功率模塊測試系統(tǒng)設(shè)計思路及參數(shù)計算,給出了測試系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計方法。通過靜態(tài)脈沖測試和動態(tài)脈沖測試可以看出,設(shè)計的測試系統(tǒng)可較為精確地測量到地鐵牽引逆變器功率模塊每個橋的橋臂IGBT(絕緣柵雙極晶體管),且其實測值與理論計算值接近。該測試系統(tǒng)較為適合現(xiàn)場測試和驗證功率模塊的整體性能。

地鐵; 牽引系統(tǒng)； 牽引功率模塊； 測試系統(tǒng)

First-author′s address Shanghai Jiaotong University,200240,Shanghai,China

地鐵牽引系統(tǒng)主要由牽引逆變器提供動力,而牽引功率模塊又是其中的核心主電路部分。隨著地鐵車輛逐漸進入架修和大修階段,功率模塊的維修顯得越來越迫切和必要，因此,需要建立一套能驗證功率模塊性能的測試系統(tǒng)。本文提出了一種測試方法解決方案,以提高功率模塊維修質(zhì)量。

1 功率模塊電氣結(jié)構(gòu)

圖1所示為目前通用的直流母線地鐵牽引系統(tǒng)功率模塊組的主電路結(jié)構(gòu),牽引逆變器負責(zé)輸出三相變頻變壓的交流電流，以驅(qū)動牽引電機帶動地鐵列車運行；另一相RC在車輛進行電制動接觸網(wǎng)網(wǎng)壓過時高做主動能量消耗。

圖1 牽引逆變器功率模塊主電路示意圖

2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主電路

電氣架構(gòu)設(shè)計采用開環(huán)控制,以進行牽引系統(tǒng)動力模塊的飽和電流測試及輕載動態(tài)輸出試驗。測試系統(tǒng)主電路如圖2所示。因牽引逆變器所帶為電機負載,而目前牽引電機多為Y型連接的感應(yīng)電機,所以在此簡化了模型?？紤]到對每相橋臂進行測試,將每相負載看成為感性負載[1]，如圖2中的負載2。圖2中的負載1為純電阻負載,考察電阻制動時的模塊負載特性。

圖2 牽引模塊試驗臺框圖

控制部分負責(zé)控制受控源及負載每相選擇接觸器,并對逆變器輸出控制脈沖。整個高壓帶載測試分為兩個部分:

(1) 單次雙峰脈沖測試,測試每相模塊可到達的設(shè)計電流。其等效電路如圖3所示，通過雙脈沖以及接觸器對上下橋臂的選擇,來依次測試每個IGBT(絕緣柵雙極晶體管)及其寄生二極管的特性。

圖3 單次脈沖試驗原理圖

(2) 重復(fù)性脈沖測試,測試每相模塊可到達的設(shè)計飽和電流。其等效電路如圖4，輸出連續(xù)的占空比固定的方波至負載電感,得到一系列三角波波形。通過理論值計算,來判斷當(dāng)前波形是否正確。

圖4 單相連續(xù)脈沖測試

針對電制動RC相所做的制動電阻試驗如圖5所示。

圖5 電制動連續(xù)脈沖測試

2.2 安全電路

安全電路考慮以下情況:

(1) 交流電源輸入時過流保護；

(2) 直流進線的手動隔離開關(guān)確保絕對的物理性隔離,以確保作業(yè)人員安全；

(3) 使用萊姆的霍爾效應(yīng)電壓電流傳感器，確保直流進線側(cè)的過壓和欠壓；

(4) 負載熔斷器保護。

2.3 信號發(fā)生電路

信號發(fā)生電路使用ARM 7的LPC 2294芯片核心板和自行設(shè)計的外部適配板生成各種波形。具體接口電路如圖6所示。信號使用LPC 2294的定時器電路發(fā)出所需的方波波形,并采用高速光耦PC 923隔離以及獨立MOS管 MAX 4420 EPA驅(qū)動,以二級隔離的方式來驅(qū)動被試牽引模塊的下級IGBT觸發(fā)電路。

圖6 信號接口電路

2.4 采樣電路

采樣電路主要包括接收IGBT反饋信號的數(shù)字電路以及接收傳感器信號的模擬電路。反饋信號來自IGBT的高壓C側(cè),被試模塊已通過降壓及獨立電源驅(qū)動的方式進行了一次隔離,為防止環(huán)境對中間傳輸進行干擾,采樣電路同樣采用高速光耦隔離,同時在前級使用小時間常數(shù)的RC電路進行濾波。如圖7所示。

模擬量采樣電路接收來自萊姆的直流電壓電流霍爾效應(yīng)傳感器的信號。傳感器的輸出為即時的脈沖電流信號,采樣板使用雙電源運放將信號隔離放大后轉(zhuǎn)至LPC 2294芯片接口。如圖8所示。

圖7 帶光耦隔離的數(shù)字采樣電路

圖8 傳感器信號處理

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要根據(jù)測試步驟以及前期的數(shù)值理論計算進行。系統(tǒng)程序主要由初始化、脈沖輸出、數(shù)據(jù)與狀態(tài)的采樣、串口通信等部分組成。使用Keil uVision 4編寫下位機控制程序。下位機從試驗裝置及傳感器讀取各狀態(tài)信號，同時通過串口通信向上位機發(fā)送記錄數(shù)據(jù)。

3.1 輸出波形設(shè)計

靜態(tài)脈沖波形的生成使用芯片LPC 2294內(nèi)部定時器，通過晶振數(shù)計算絕對時間來依次判斷是否輸出高電平或低電平。動態(tài)脈沖直接使用PWM(脈寬調(diào)制)信號,定義頻率及占空比參數(shù)。其輸出脈沖的條件以外部輸入量信號邏輯為準,同時實時檢測負載電路電流,出現(xiàn)異常則封鎖脈沖。其流程圖如圖9所示。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要記錄負載電壓電流、IGBT觸發(fā)導(dǎo)通及關(guān)斷時間。其中，IGBT從觸發(fā)命令輸出直至IGBT反饋的時間延遲可用來判斷IGBT的性能以及是否能在正常工況下工作。為使其用于高壓強電環(huán)境,采用光藕及雙非門的方式來消除干擾。

4 系統(tǒng)測試

4.1 數(shù)值計算

功率模塊使用日本三菱公司的CM 1200 HC-66 H。室溫25 ℃時,其反向擊穿電壓為3 300 V,額定電流為1 200 A。它是目前軌道交通行業(yè)使用較廣泛的電力電子開關(guān)器件。

圖9 下位機軟件設(shè)計流程框圖

4.1.1 靜態(tài)測試電路計算

以圖3為計算電路,測試IGBT-IT1時,觸發(fā)電路一次輸出2個方波的單次脈沖(見圖10)。其中，t1為第一次波峰脈沖時長，t2為第一次波谷脈沖時長，t3為第二次波峰脈沖時長。

由電工學(xué)原理,通過電感的磁鏈ψ等于電感量L1與其流通電流I的乘積:

(1)

對式(1)兩邊微分,可得:

圖10 靜態(tài)脈沖示意

(2)

式中：

U——電感L1兩端的電壓,即直流母線電壓。

由式(2)可得：

(3)

因IGBT開關(guān)時間為微秒級,且回路為斷路模式,故近似認為在圖10中的t1至t3內(nèi)電感電流的變化率為線性關(guān)系。則最終單次脈沖在電感中生成的即時充電電流最大值為:

由式(4)可知，負載電感最終電流波形應(yīng)為帶2次峰值的電流充電過程。其獲得峰值的時間總長為t1+t3。

4.1.2 動態(tài)測試電路計算

以圖4為計算電路,測試IGBT-IT1,IGBT-IT2時,觸發(fā)電路一次輸出占空比相同的連續(xù)脈沖[2]。

在一個周期內(nèi),動態(tài)電路計算方式與靜態(tài)電路計算方式相同。由式(4)，類似可得：

式中：

L2——動態(tài)模式下的電感；

Ip-p——負載L2下的峰峰值電流；

f——控制脈沖頻率，占空比為50%。

通過計算可知，其輸出為頻率跟隨連續(xù)脈沖頻率的三角波。

4.2 靜態(tài)脈沖測試

靜態(tài)脈沖測試主要是測試逆變器橋臂上下兩臂在給定單次脈沖時的靜特性,并通過與靜態(tài)測試電路的理論計算值相對比,來判斷模塊整體靜特性是否在可靠范圍內(nèi)。當(dāng)測試上臂時,所給脈沖觸發(fā)上臂的IGBT,關(guān)斷時電感中的感生電流由下臂IGBT寄生二極管繼續(xù)放電。結(jié)果如圖11所示。圖中電流波形即為負載電流曲線,觸發(fā)脈沖即為ARM從前級光耦發(fā)出的脈沖信號。從示波器波形刻度上看，其在峰值上的電流基本與理論計算值相近。

圖11 上臂單次靜態(tài)脈沖波形

當(dāng)測試下臂時,所給脈沖觸發(fā)下臂的IGBT,關(guān)斷時電感中的感生電流由上臂IGBT寄生二極管繼續(xù)放電。結(jié)果如圖12所示。圖中的電流波形即為負載電流曲線。從示波器讀數(shù)看，其在峰值上的電流與理論計算值相近。

圖12 下臂單次靜態(tài)脈沖波形

4.3 動態(tài)脈沖測試

動態(tài)脈沖測試主要是測試逆變器單臂處于半橋逆變、斬波制動時的功能，并通過與動態(tài)測試電路理論計算值的對比,來判斷模塊整體動特性是否在可靠范圍內(nèi)。

測試半橋逆變時,上下臂永遠給出電相位差180°、方向相反的脈沖，此時電流波形為三角波。如圖13所示。

測試斬波制動時,僅上臂給出占空比給定的脈沖,此時電流波形與給定占空比觸發(fā)脈沖趨勢上一致。如圖14所示。圖中的觸發(fā)脈沖即為給定占空比的觸發(fā)脈沖,電流波形為即負載上的直流方波電流波形，反饋脈沖即為觸發(fā)IGBT兩端電壓反饋波形。

圖13 單相動態(tài)脈沖運行波形

圖14 電制動運行波形

5 結(jié)語

通過真實情況下的測試可以看出，所設(shè)計的測試系統(tǒng)可較為精確地測量到地鐵牽引逆變器功率模塊每個橋的橋臂IGBT,且其實測值與理論計算值接近。該測試系統(tǒng)較為適合現(xiàn)場測試和驗證功率模塊的整體性能。

[1] 周順榮.電機學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,2002：151.

[2] 金如麟,譚弗娃.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2001：133-134.

Design of the Test System for Metro Traction Power Module

WANG Quan, LI Xuguang

Rail transit traction system is mainly powered by the traction inverter,and the traction power module is the core part of the main circuit. In this paper, the design idea and the parameter calculation of the power module test in rail transit traction system are introduced, the design method of the hardware and software in the test system is analyzed. The static and dynamic pulse test shows that the system can measure more accurately the IGBT (insulated gate bipolar transistor) of each bridge arm in subway traction inverter power module.The actual values in working condition and theoretical calculation values are similar, meaning the test equipment and methods are more suitable for the field test and could verify the overall performance of the power module.

metro; traction system; traction power module; test system

U 266.291+.7

10.16037/j.1007-869x.2016.07.012

2014-08-26)