廣州地鐵直線電機(jī)車輛牽引逆變模塊技術(shù)改造

金文濤， 夏耀天， 陳智華, 李天明, 陳　威

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司　運營事業(yè)總部基地維修中心， 廣東廣州 510310)

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廣州地鐵直線電機(jī)車輛牽引逆變模塊技術(shù)改造

金文濤， 夏耀天， 陳智華, 李天明, 陳威

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司運營事業(yè)總部基地維修中心， 廣東廣州 510310)

采用IGBT與GDU結(jié)合的方式，對廣州地鐵進(jìn)口直線電機(jī)車輛逆變模塊進(jìn)行改造，替代原使用的三菱IPM，改造后的逆變模塊滿足原系統(tǒng)的要求，最終經(jīng)過裝車載客運營考核。

逆變模塊; 改造; 壟斷; IPM

廣州地鐵4、5、6號線直線電機(jī)車輛牽引系統(tǒng)由日本三菱公司設(shè)計制造，該系統(tǒng)功率單元(POWER UNIT，以下稱PU模塊)采用IPM(智能功率模塊)作為功率器件。IPM內(nèi)部封裝了IGBT、驅(qū)動電路以及保護(hù)電路，是一種比IGBT集成度更高、技術(shù)更先進(jìn)的功率器件。隨著運營里程的增加，PU模塊中IPM炸裂的頻率逐漸加大，進(jìn)入故障高發(fā)期。由于三菱公司對IPM的技術(shù)壟斷，并不對外單獨銷售，給廣州地鐵4、5、6號線的列車的正常運營造成了影響。為了不影響列車正常上線運營，廣州地鐵開展了PU模塊技術(shù)改造的研究工作。

1　PU模塊介紹

PU模塊是牽引系統(tǒng)中的逆變執(zhí)行單元，其功能是在牽引工況下將列車的1 500 V直流電逆變?yōu)槿嘧儔鹤冾l的交流電，用以驅(qū)動直線電機(jī)；而在電制動工況下，將電機(jī)產(chǎn)生的交流電整流反饋回電網(wǎng)，其外觀如圖1所示。原裝PU模塊采用的功率器件是額定電壓3 300 V，額定電流1 200 A的IPM，內(nèi)部集成了IGBT、驅(qū)動電路及保護(hù)電路。保護(hù)電路具備過流保護(hù)(OC)、短路保護(hù)(SC)以及欠壓保護(hù)(UV)等功能。PU模塊上有一塊EOU-02電路板(光電轉(zhuǎn)換電路板)，一端與DCU(牽引控制單元)使用電纜進(jìn)行控制信號與反饋信號的連接，另一端以光纖傳輸6個IPM的開關(guān)控制及狀態(tài)反饋信號，原理圖如圖2所示。

圖1　PU模塊外觀

圖2　PU模塊原理圖

控制信號與反饋信號的定義如圖3所示，兩個信號電平反相代表工作正常，而同相則表示故障，DCU檢測控制信號與反饋信號同相出現(xiàn)一定的時間，則進(jìn)行牽引封鎖，報IGBT保護(hù)。

圖3　PU模塊控制信號與反饋信號邏輯

2　技術(shù)方案

2.1功率器件及外置驅(qū)動板(GDU)的選擇

廣州地鐵列車主要分A、B、L 3種車型，各車型又根據(jù)不同的生產(chǎn)廠家和采購批次分成十幾種不同的子車型，其中直線電機(jī)車輛為L型車，包括L1～L4等車型，統(tǒng)計廣州地鐵主要車型逆變模塊的技術(shù)特點如表1所示。

表1　廣州地鐵車型逆變模型特點

根據(jù)廣州地鐵各型車逆變系統(tǒng)的對比，考慮控制系統(tǒng)的接口兼容性、系統(tǒng)的成熟性及備件的通用性3個方面，整體方案替代擬從龐巴迪和西門子兩種方案之間選擇。

西門子的IGBT方案有兩個特點，一是驅(qū)動板體積大，安裝要求的空間比較大，這與PU模塊內(nèi)部有限的安裝空間沖突；二是西門子GDU板沒有反饋信號，無法與控制系統(tǒng)的接口兼容?；谶@兩點，西門子的IGBT方案不能作為PU模塊IPM(圖4所示)的替代方案。而龐巴迪的IGBT驅(qū)動板體積小，具有反饋信號，可以與控制系統(tǒng)的接口兼容，因此選擇A2、A3型車牽引系統(tǒng)MCM模塊中的IGBT+GDU方案替代三菱IPM。

MCM模塊采用德國英飛凌IGBT(圖5所示)，驅(qū)動與保護(hù)電路采用龐巴迪與其配套的驅(qū)動與保護(hù)電路，龐巴迪提供了完整的程序下載與測試工具。

圖4　三菱3 300 V,1 200 A HVIPM

圖5　英飛凌3 300 V,1 200 A IGBT

該GDU的驅(qū)動保護(hù)電路使用CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)實現(xiàn)驅(qū)動保護(hù)邏輯功能，包含過流保護(hù)(OC)、短路保護(hù)(SC)以及欠壓保護(hù)(UV)等功能，保護(hù)功能實現(xiàn)方式見圖6所示原理。

過流保護(hù)(OC)：通過檢測IGBT的飽和壓降VCE_SAT以及集發(fā)間電壓VCE，通過比較器與參考值作比較，判斷IGBT是否過流，從而實現(xiàn)保護(hù)功能；

短路保護(hù)(SC)：通過檢測IGBT的E極電流變化率，通過比較器與參考值作比較，判斷是否產(chǎn)生短路，從而實現(xiàn)保護(hù)功能；

欠壓保護(hù)(UV)：通過檢測IGBT的G極電壓，通過比較器與參考值作比較，判斷是否產(chǎn)生欠壓，從而實現(xiàn)保護(hù)功能。

通過這些保護(hù)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)與IPM一致的保護(hù)作用。

圖6　GDU的保護(hù)電路原理

此外，在三菱IPM與英飛凌IGBT的外形尺寸上，都采用了6英寸封裝尺寸，兩者在外形尺寸上一致，因此，龐巴迪的IGBT方案在PU模塊上具備安裝條件。

A2、A3型車MCM模塊所使用的IBGT為英飛凌的FZ1200R33KF2C，而L型車PU模塊所使用的IPM為三菱的PM1200HCH330-206，由于此款I(lǐng)PM為廣州地鐵車輛專用產(chǎn)品，廠家只提供PU模塊整件的采購，不單獨提供IPM，也不提供IPM相關(guān)技術(shù)資料，所以無法獲取其相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)，因此以三菱公司的一款型號為PM1200HCE330-1的IPM和一款型號為CM1200HG-66H的IGBT與英飛凌的FZ1200R33KF2C的IGBT進(jìn)行參數(shù)對比，對比情況見表2。

表2　功率器件參數(shù)對比

由于不同廠家給出的參數(shù)條件不一致，但是通過表2的對比，能夠作為一種參考，即英飛凌FZ1200R33KF 2C基本參數(shù)比三菱同級別的IGBT元器件的基本參數(shù)大致相當(dāng)或略高，因此可以成為替代產(chǎn)品。

2.2整體布局

改造方案需新增的6塊IGBT驅(qū)動板，由于原PU模塊框架無固定支撐位置，因此需要根據(jù)PU模塊的外形尺寸新增一塊絕緣安裝板，替代原有的金屬框架，用于承載與固定IGBT驅(qū)動板與信號接口板，布局示意如圖7所示。絕緣安裝板選用機(jī)械性能好，絕緣強(qiáng)度高的材料加工制作。

圖7　IGBT驅(qū)動板的安裝布局示意圖

2.3GDU供電的問題

PU模塊IPM的驅(qū)動電源為100 kHz、24 V交流電，額定功率為48 W。MCM模塊IGBT驅(qū)動電源為24 V直流電源，輸出功率為91.2 W。由于驅(qū)動電源的穩(wěn)定性及輸出功率對于IGBT的驅(qū)動有著非常關(guān)鍵的影響，為保證電源功率留有一定的余量，電源的輸出功率至少要大于91.2 W。考慮到VVVF箱體內(nèi)部的空間所限，因此需要選擇體積較小的電源模塊。經(jīng)過對比選型，采用了美國VICOR公司的電源，該電源模塊為DC 110 V輸入，DC 24 V輸出，輸出功率200 W，外部尺寸大約55 mm×45 mm，非常小巧，便于安裝與布局。

2.4信號邏輯匹配

MCM模塊中的GDU驅(qū)動信號與反饋信號的邏輯關(guān)系為：兩信號同相表示工作正常，反相表示故障，反相時將會報IGBT保護(hù)故障。這與PU模塊中IPM的信號邏輯相反，因此需要將龐巴迪IGBT驅(qū)動的控制信號與反饋信號的進(jìn)行調(diào)整：在EOU-2板的P2接口上新增加一塊電路板，將反饋信號通過一個“非門”CD4584，將其邏輯取反從而符合系統(tǒng)要求。

3　方案驗證

為了驗證新方案的功能及可靠性，進(jìn)行了地面試驗及裝車試驗。

3.1地面試驗

地面試驗根據(jù)廠家提供的試驗大綱，進(jìn)行了功率元件開關(guān)試驗，試驗原理如圖8所示，每次針對一個IGBT進(jìn)行測試。

圖8　試驗原理(虛線按需連接)

在PN兩端加載直流穩(wěn)壓電源，給IGBT驅(qū)動信號，并采集IGBT的反饋信號以及負(fù)載上的電壓變化，圖9所示為測量U相IGBT所采集的信號圖，其中CH1為控制信號，從+15 V下降為0 V；CH2為反饋信號，由0 V上升到+15 V，保證了反饋信號與控制信號的反相；CH3為驅(qū)動板上G極的響應(yīng)信號，從+15 V開通電壓降低到-7 V，保證IGBT的可靠關(guān)斷；CH4為負(fù)載上的電壓信號，負(fù)載上的電壓產(chǎn)生震蕩，符合IGBT在關(guān)斷時的dVce/dt值很大的關(guān)斷特性。

根據(jù)所采集信號與未改造的PU模塊的信號對比，改造的PU模塊基本開通關(guān)斷功能正常，判斷改造后的PU模塊驅(qū)動信號及反饋信號符合使用要求。

圖9　U相IGBT所采集的信號

3.2裝車試驗

將改造好的PU模塊安裝在廣州地鐵5號線列車的VVVF箱上，一個VVVF箱有兩臺PU模塊，其中一臺為改造后的PU模塊，一臺為未改造的PU模塊。

利用自主開發(fā)的信號采集裝置，對同一個VVVF箱中的兩臺PU模塊進(jìn)行信號對比。列車在試車線及正線正常運行，采集運行過程中列車的各種信號如圖10所示，圖10左側(cè)上方的信號為列車牽引制動信號；牽引制動信號下方為PU模塊的電容電壓，維持在1 500 V 的供電電壓；電容電壓信號下方是兩臺PU模塊的牽引電流對比信號，其中白色信號為未改造的PU模塊的牽引電流信號，而紅色信號為改造后PU模塊的牽引電流信號，兩個信號幾乎完全一致，也證明了改造的PU模塊與原裝PU模塊的牽引工況完全一致；牽引電流信號圖下方為列車速度信號。圖10中間的四個信號圖從上到下分別是未改造的PU模塊的溫度、改造后PU模塊的溫度、未改造PU模塊的相電流、改造后的PU模塊的相電流，經(jīng)過對比，兩個模塊的響應(yīng)信號也基本一致。圖10右側(cè)的圖是采集的兩臺PU模塊的門極驅(qū)動信號和反饋信號，用于輔助分析PU模塊的IGBT驅(qū)動狀態(tài)。

圖10　信號采集圖

經(jīng)過信號對比，改造后的PU模塊與未改造的PU模塊信號基本一致，未有明顯差異，驗證了改造后的PU模塊功能正常。

4　結(jié)　論

通過選用IGBT與GDU結(jié)合的方式替代三菱公司的IPM對PU模塊進(jìn)行改造，并對控制信號與反饋信號做出了調(diào)整，改造后的PU模塊達(dá)到了原系統(tǒng)的要求，并在裝車載客考核中性能表現(xiàn)理想，廣州地鐵直線電機(jī)車輛牽引逆變模塊改造成功。打破了日本三菱公司對于PU模塊的技術(shù)壟斷，不僅可以為地鐵運營節(jié)約大量成本，也為列車逆變模塊國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)，對地鐵設(shè)備技術(shù)改造具備指導(dǎo)意義。

[1]王曉明,楊秀艷,董玉林.智能功率模塊IPM故障信號的處理方法 [J]. 遼寧工學(xué)院學(xué)報, 2005, (25): 95-96.

[2]陳永淑.IGBT的可靠性模型研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2010.

[3]英飛凌. FZ1200R33KF2C (chinese/english) -EN/CN [Z]. http:∥www.infineon.com/dgdl/Infineon-FZ1200R33KF2C-DS-v02_01-en_de.pdf?fileId=db3a304412b407950112b431408553eb.

Technical Reform of Traction Inverter Module for Line Motor Vehicles of Guangzhou Metro

JINWentao,XIAOYaotian,CHENZhihua,LITianming,CHENWei

(Repair & Overhaul Center of Operation Division, Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou 510310 Guangdong, China)

Using the method of IGBT with GDU, the linear motor vehicle's inverter modules of Guangzhou metro are reformed to replace the original modules of Mitsubishi IPM. The reformed inverter modules can meet the requirements of the original system, and have achieved ideal performance after the actual operation assessment.

inverter module; technical reform; monopoly; IPM

1008-7842 (2016) 02-0116-04

??)男，助理工程師(

2015-11-14)

U239.5

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.02.28