城軌車輛逆變器控制單元故障維修分析

王煙平，李宇波

（1 長(zhǎng)沙市軌道交通運(yùn)營(yíng)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410000；2 深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，廣東深圳518052）

城軌車輛逆變器控制單元故障維修分析

王煙平1，李宇波2

（1 長(zhǎng)沙市軌道交通運(yùn)營(yíng)有限公司，湖南長(zhǎng)沙410000；2 深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，廣東深圳518052）

介紹了電子板件的常見故障和維修方法及在城軌車輛逆變器控制單元維修中的應(yīng)用，結(jié)合研制的測(cè)試平臺(tái)，提出了城軌車輛逆變器控制單元維修的思路。

維修；逆變器控制單元；測(cè)試平臺(tái)

逆變器控制單元（DCU）是車輛牽引控制的核心部件，它是整個(gè)逆變器模塊的控制中心，發(fā)生故障時(shí)導(dǎo)致車輛失去牽引電源和輔助電源，造成車輛失去動(dòng)力以及空調(diào)、空壓機(jī)停機(jī)，它工作狀態(tài)的好壞直接影響到車輛的正常運(yùn)行。

DCU經(jīng)過(guò)幾年的運(yùn)營(yíng)之后，由于各種原因會(huì)導(dǎo)致不同類型的故障。本文介紹了龐巴迪車輛DC U的工作原理及功能，以及對(duì)不同類型的故障提出了相應(yīng)的解決方法，總結(jié)了板件維修的思路和經(jīng)驗(yàn)，有效解決了DCU控制單元各類型故障。

1　逆變器控制單元方框圖

目前國(guó)內(nèi)多家地鐵運(yùn)營(yíng)公司采用的是龐巴迪列車（如：廣州地鐵2號(hào)線、深圳地鐵1號(hào)線），DCU為進(jìn)口板件，供應(yīng)商未提供電氣原理圖，給維修增加一定難度。現(xiàn)主要針對(duì)DCU的PCB電路板進(jìn)行分析研究，繪制原理方框圖見圖1。

圖1　DCU方框圖

2　逆變器控制單元工作原理及功能

2.1DCU控制單元原理

DCU控制單元是一個(gè)復(fù)雜的連鎖系統(tǒng)，其采集和監(jiān)控的每一路模擬或數(shù)字信號(hào)都必修符合設(shè)計(jì)邏輯，一旦某路信號(hào)不符合設(shè)計(jì)邏輯或出現(xiàn)異常，就說(shuō)明逆變器出了故障，DCU根據(jù)故障類型分別給出不同的報(bào)警信息在車輛人機(jī)界面（HMI）顯示。

2.2DCU主要實(shí)現(xiàn)以下功能

（1）輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的處理；

（2）牽引和制動(dòng)運(yùn)行的控制和調(diào)節(jié)；

（

3）保護(hù)和監(jiān)控；

（4）診斷和自檢；

（5）測(cè)量速度；

（6）故障診斷和故障存儲(chǔ)。

3　逆變器控制單元簡(jiǎn)易測(cè)試平臺(tái)搭建

3.1簡(jiǎn)易測(cè)試平臺(tái)原理方框圖（見圖2）

通過(guò)分析逆變器控制單元電源與通信接口定義，搭建逆變器控制單元的簡(jiǎn)易測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)恒流源模擬外部傳感器電流輸入，借助DCU Term維護(hù)軟件實(shí)時(shí)查看各個(gè)變量數(shù)值的變化等，為逆變器控制單元故障的分析、測(cè)量和故障類型判斷提供有力條件。

圖2　簡(jiǎn)易測(cè)試平臺(tái)

3.2測(cè)試裝置輔助插頭主要功能實(shí)現(xiàn)

（1）通過(guò)頻率發(fā)生電路模擬1 000，500，250和125 Hz信號(hào)輸入DCU邊插速度傳感器的各接入點(diǎn)；

（2）通過(guò)可調(diào)電阻接入DCU邊插溫度傳感器的各接入點(diǎn)；

（3）通過(guò)恒流源電路產(chǎn)生4，10，15，20 mA的電流輸入DCU邊插電流、電壓傳感器的各接入點(diǎn)，同時(shí)牽引級(jí)位PWM參考值（4～20 mA）也采用恒流源信號(hào)接入。

（4）通過(guò)電源模塊給DCU提供直流110 V、±24 V工作電源；

（5）通過(guò)短接跳線給DCU邊插賦予地址指令；

（6）各種需要高電平且需維持的指令均通過(guò)DC110V直接賦予；

（7）通過(guò)DCU Term維護(hù)軟件刷新DCU操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件；

（8）通過(guò)DCU Term維護(hù)軟件實(shí)施DCU各項(xiàng)功能檢測(cè)及故障數(shù)據(jù)下載等。

4　逆變器控制單元典型故障及維修

4.1電源類故障

電源的工作狀態(tài)直接關(guān)系到DCU板件運(yùn)行工況，一旦發(fā)生故障，將會(huì)導(dǎo)致DCU板件停止工作，封鎖逆變脈沖，跳高速斷路器，整個(gè)逆變器報(bào)嚴(yán)重故障，車輛失去牽引動(dòng)力等，嚴(yán)重影響車輛正線運(yùn)營(yíng)。

圖3　DCU電源電路

針對(duì)電源故障展開維修工作，發(fā)現(xiàn)此類故障通常是電源調(diào)整IC芯片及電容擊穿短路造成。采用直觀法對(duì)DCU板進(jìn)行檢查，是否發(fā)現(xiàn)元器件異常，如無(wú)異常，則采用無(wú)電電阻法，即用萬(wàn)用表檢測(cè)圖3中元器件C1～C10電阻值，一般電容擊穿后，電阻值會(huì)很小，可以輕易判斷。對(duì)于L2952電源芯片的檢測(cè)，首先是測(cè)量Uin、Uout和GND引進(jìn)之間的電阻，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電阻值應(yīng)大于1 kΩ，如果電阻值只有幾十歐姆甚至更小，可以判斷芯片內(nèi)部擊穿損壞，更換相應(yīng)芯片即可。如果電阻值沒(méi)有明顯的變小，需要通電進(jìn)行電壓測(cè)量，Uout電壓為15 V，如果電壓偏高或偏低，應(yīng)更換相應(yīng)芯片。更換相應(yīng)元器件后需用電阻法再次進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)沒(méi)問(wèn)題則可進(jìn)行短時(shí)間通電試驗(yàn)，用電流法監(jiān)測(cè)±24 V輸入電流，電壓法監(jiān)測(cè)±15 V是否正常。

4.2通信類故障

發(fā)生通信故障時(shí)，車輛維護(hù)軟件無(wú)法通過(guò)端口下載故障數(shù)據(jù)，以及無(wú)法更新DCU操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，嚴(yán)重影響車輛故障數(shù)據(jù)分析和運(yùn)營(yíng)維護(hù)。通信接口原理圖見圖4。

圖4　DCU通信接口

通信電路主要包括通信收發(fā)芯片、隔離保護(hù)電路，其中易損壞的為收發(fā)芯片，帶有隔離元件的收發(fā)芯片故障率較低，大多數(shù)收發(fā)芯片直接對(duì)外連接，靜電、瞬變電壓都可能對(duì)芯片造成損壞。

當(dāng)RS232端口無(wú)法連接電腦維護(hù)軟件時(shí)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)端口調(diào)試軟件向R S232端口發(fā)送數(shù)據(jù)（設(shè)置正確的波特率），采用波形法檢測(cè)接口轉(zhuǎn)換芯片的輸入輸出是否正常、光電隔離部分的輸入輸出是否正常，這樣可判斷電子板件通訊端口收發(fā)通道哪些部分器件損壞。其次，采用電壓法也可簡(jiǎn)單判斷芯片的好壞，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)ST202E B其發(fā)送和接收管腳（T1OUT、R1IN）電壓范圍為-9～+9 V間，U+電壓為+10 V左右，U-電壓為-10 V左右，如不符，可以替換該芯片進(jìn)行測(cè)試。

4.3LINE TRIP故障

LINE TRIP故障會(huì)導(dǎo)致高速斷路器合不上，車輛失去牽引動(dòng)力。

一般情況下，是由于LINE TRIP繼電器損壞及繼電器驅(qū)動(dòng)電路損壞造成，見圖5。電阻法檢測(cè)LINE TRIP繼電器線圈阻值是否正常，繼電器吸合后檢測(cè)常開觸頭阻值應(yīng)少于0.5 Ω，如不符則更換繼電器。驅(qū)動(dòng)部分電路，采用電壓法，在通電后檢查繼電器線圈兩端是否有電，如無(wú)電則檢查繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖中Q1、Q2是否損壞以及測(cè)量CPU控制信號(hào)是否發(fā)出。

圖5　Line Trip控制電路

4.4Udc電壓偏差過(guò)大故障

Udc電壓正偏過(guò)大，DCU控制單元會(huì)認(rèn)為中間電壓過(guò)壓，頻繁開啟斬波器，導(dǎo)致制動(dòng)電阻過(guò)熱發(fā)生故障，DCU控制單元同時(shí)會(huì)授權(quán)切除電制動(dòng)，嚴(yán)重影響車輛制動(dòng)效果和性能。

Udc電壓負(fù)偏過(guò)大，當(dāng)網(wǎng)壓升高及再生制動(dòng)引起中間電壓升高時(shí)，DCU控制單元會(huì)認(rèn)為中間電壓不足，將不會(huì)開啟斬波器，網(wǎng)壓和中間電壓差值過(guò)大，導(dǎo)致DCU硬件保護(hù)故障，封鎖牽引逆變脈沖，車輛失去牽引動(dòng)力。

針對(duì)Udc電壓偏差問(wèn)題進(jìn)行分析，故障主要原因是由于DCU板模擬數(shù)據(jù)采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（AD7441BR）損壞造成。圖6中，R1是I/V取樣電阻，MC33274是運(yùn)放芯片，AD7441BR是AD芯片。電壓傳感器輸出的電流信號(hào)在取樣電阻上轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)入運(yùn)放芯片（電壓跟隨器）進(jìn)行阻抗轉(zhuǎn)換，再送至AD7441BR芯片，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)，最后送處理器處理。如果轉(zhuǎn)過(guò)程出現(xiàn)異常，就會(huì)造成最終的Udc電壓測(cè)量不準(zhǔn)。

圖6　電壓測(cè)量取樣電路

采用無(wú)電電阻法檢測(cè)元件R1取樣電阻值是否開路，芯片MC33274、AD7441電源供電引腳和地之間的電阻值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)大于1 kΩ，如有異常應(yīng)替換芯片進(jìn)行測(cè)試。采用信號(hào)注入法進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，即采用恒流源（4～20 mA）連接CON2接口輸入恒電流，電壓表監(jiān)測(cè)MC33274輸出電壓Uin、頻率計(jì)或者示波器測(cè)量AD輸出頻率fout，同時(shí)連接計(jì)算機(jī)維護(hù)軟件DCU Term查看Udc電壓值，隨著輸入端的恒電流變化，Udc電壓應(yīng)跟隨變化。

5　逆變器控制單元故障維修流程

根據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)，逆變器控制單元的故障維修流程，從直觀法、電阻測(cè)量法、波形法等方面進(jìn)行測(cè)試，形成完善的故障處理流程（見圖7）。

圖7　故障處理流程

6　結(jié)束語(yǔ)

（1）在目前車輛核心電子板件壟斷的情況下，檢修人員通過(guò)對(duì)DCU控制單元典型故障的分析，采用有效的維修方式，對(duì)DCU控制單元的修復(fù)起著至關(guān)重要的作用。

（2）維修D(zhuǎn)CU控制單元?jiǎng)?chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，典型故障的分析與維修對(duì)同行具有指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

［1］ 長(zhǎng)客—龐巴迪軌道車輛有限公司.深圳地鐵一期工程維修保養(yǎng)、檢修及大修手冊(cè)［Z］.長(zhǎng)春：長(zhǎng)客—龐巴迪軌道車輛有限公司，2007.

［2］ 王成安，王洪慶.電子元器件檢測(cè)與識(shí)別［M］.北京：人民郵電出版社，2009.

［3］ 范次猛.機(jī)電設(shè)備電氣控制技術(shù)—基礎(chǔ)知識(shí)［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，助理工程師（

2015-01-12）